Лекция 6. Пускорегулирующая аппаратура газоразрядных ламп. Балласты

Вольт-амперные характеристики ламп

Экспериментальная статическая ВАХ газоразрядной лампы может быть определена по схеме рис. 1а. Увеличивая ток лам­пы, можно получить статическую ВАХ газового разряда.

При подключении га­зоразрядной лампы с возрастающей ВАХ непосредственно к источнику постоянного тока колебания тока и напряже­ния источника питания не вызывают заметных колебаний параметров лампы. Ток лампы определяется напряжением источника питания. Для таких ламп выполняются неравенства U_c1<U_c2; I₁<I₂. Таким образом, лампы с возрастающей ВАХ могут под­ключаться непосредственно к источнику питания (участок АВ рис. 1б).

Иначе обстоит дело при работе лампы на участке ВС ВАХ. На этом участке устойчивая работа лампы невозможна, любое колебание тока приведет либо к его неконтролируемому увеличению, либо к погасанию лампы. Газоразрядные лампы с падающей ВАХ не могут подключаться непосредственно к источнику питания, как это имеет место с лампами нака­ливания.

Стабилизация тока ламп

Для работы лампы с током в определенных допустимых пределах при ее подключении к источнику питания с за­данным изменением напряжения последовательно с ней включают балластное сопротивление или балласт. На по­стоянном токе применяют резисторы или другие элементы с активным сопротивлением, например лампы накалива­ния, что и определило название таких балластов - актив­ные балласты.

Рассмотрим процесс стабилизации тока лампы в сети постоянного тока с помощью резистора. На рис. 1, в показана падающая ВАХ газоразрядной лампы и прямая DBE, которая является ВАХ последовательно соединенных источника постоянного тока и резистора с сопротивлением R_Б. Наклон этой ВАХ определяется значением сопротивле­ния резистора. Точка В в этом случае называется точкой стабильной работы газоразрядной лампы.

Математиче­ски условие стабильности работы лампы может быть за­писано в общем виде как

(16.1)

При питании лампы от источника переменного тока приведенные выше закономерности сохраняются, каждая точка статической ВАХ определяется действующими значе­ниями тока и напряжения лампы. Однако в качестве бал­ласта на переменном токе можно применять не только ре­зисторы, но и индуктивные, и емкостные сопротивления (дроссели, конденсаторы, их сочетания).

Типы балластов

Рассмотрим работу активного балласта. На рис. 16.2, в; приведены зависимости напряжения и тока лампы в функ­ции времени U_л=f(t) и i_л=f(t) при включении лампы с; активным балластом. Форма тока лампы I_л в этом случаев близка к форме напряжения источника питания, в нашем случае синусоидальной. Ток в лампе возникает через промежуток времени f_н. Этот угол, определяющий задерж­ку начала прохождения тока через лампу по отношению к напряжению сети, называется начальной паузой тока лампы или паузой тока при включении. Аналогично угол, определяющий прекращение тока через лампу раньше, чем напряжение сети снизится до нуля, называется конеч­ной паузой тока лампы. Таким образом, при работе газо­разрядной лампы на переменном токе с активным балла­стом в каждый полупериод питающего напряжения по лам­пе не протекает ток в течение некоторого времени; угол в этом случае называется паузой тока лампы.

Нетрудно видеть, что наличие пауз в токе лампы неже­лательно по ряду причин. Во время паузы ток через лам­пу не проходит, следовательно, лампа не излучает света, т. е. не выполняет свою основную функцию; для получения в этом случае требуемой мощности необходимо увеличи­вать ток через лампу. Это вызывает увеличение амплитуд­ного значения тока лампы и приводит к снижению срока службы электродов. Появление пауз в токе и световом потоке лампы вызывает увеличение пульсации светового потока, что отрицательно сказывается в осветительных ус­тановках на зрительной работоспособности органов и при­водит к возможности возникновения стробоскопического эффекта. Кроме того, наличие пауз в токе лампы отрица­тельно влияет на режимы перезажигания и зажигания лампы. Рассмотрим это более подробно.

Большие потери мощности и наличие значительных пауз в токе лампы явились основными при­чинами, из-за которых активный балласт не нашел широ­кого применения в цепях переменного тока.

Наибольшее распространение в цепях переменного то­ка нашел индуктивный балласт -дроссель. Дроссель в общем случае представляет собой обмотку, намотанную на сердечник из ферромагнитного материала — листовой электротехнической стали. Процесс стабилизации тока лампы индуктивным балластом показан на рис. 16.2, б. Ток, протекающий через лампу, включенную в сеть переменного тока последовательно с дросселем, отстает на угол j от напряжения сети. Угол (р определяется индуктивностью балласта и соотношением между напряжением на лампе и напряжением сети. Несколько уменьшает угол j наличие активного сопротивления дросселя. Для люминесцентной лампы мощностью 40 Вт при включении с дросселем в сеть напряжением 220В угол равен примерно 60°.

(16.2)

Таким образом, применение индуктивного балласта экономически целесообразно, так как позволяет работать в режиме без пауз тока, резко снижает потери мощности, увеличивая тем самым световую отдачу комплекта лам­па - балласт.

Для стабилизации разряда на переменном токе могут быть использованы балластные конденсаторы. Однако ток через конденсатор, а следовательно, и лампу протекает только в течение части полупериода, необходимой для его зарядки и последующей разрядки на лампу (рис. 16.2, в). Большие пики тока лампы и большие паузы тока практи­чески не позволяют использовать конденсатор в качест­ве балласта для газоразрядных ламп на промышленной частоте. Только при увеличении частоты питания выше 600 Гц емкость балластного конденсатора настолько снижается, что не вызывает сколько-нибудь заметных пиков и пауз в токе лампы. Поэтому при питании на промышлен­ной частоте применяют индуктивно-емкостные балласты.

Индуктивно-емкостные балласты представляют, собой последовательно соединенные конденсатор и дроссель с индуктивностью, причем общее сопротивле­ние цепи носит емкостный характер.

Для люминесцентных ламп мощностью 40 и 80 Вт при включении в сеть с напряжением 220В и индук­тивным балластом cosj @0,5. Для ламп мощностью 15 и 20 Вт при включении в сеть 220В с индуктивным балластом cosj падает до 0,25…0,35.

Коэффициент мощности может быть повышен при включении параллельно сети компенсирующего конденса­тора С_К. Из-за наличия высших гармоник максимальное значение cosj, получаемое на практике, достигает 0,92..0,96. Для ламп с индуктивно-емкостным балластом (рис. 3.в) ток цепи имеет емкостной характер, что также нежелательно. Компенсировать его можно включением на вход схемы индуктивности. Однако на практике применяют более экономичный способ повышения коэффициента мощности - параллельное включение двух газоразрядных ламп, из которых одна включается с индуктивным, а другая с индуктивно-емкостным балластом. Из-за наличия высших гармоник в токе ламп cosj таких схем обычно составляет 0,95—0,98. Рассмотренная схема получила название схемы с расщеп­ленной фазой.