Строго воспрещается!

Включать и выключать силовые и осветительные рубильники без разрешения руководителя.

Включать схему под напряжение без предварительной проверки и разрешения руководителя.

Оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением.

При возникновении аварийных режимов лабораторная установка должна быть немедленно отключена.

Лабораторная работа № 3 исследование работы газоразрядной лампы в схемах с различными балластными сопротивлениями

1. Цель работы

1.1. Изучить процесс зажигания и работы газоразрядной лампы низкого давления в схемах с различными балластными сопротивлениями.

1.2. Определить кривые мгновенных значений (осциллограммы) напряжения питающей сети, падения напряжения на работающих газоразрядной лампе и балластном сопротивлении.

1 .3. Исследовать вольтамперную характеристику газоразрядной лампы низкого давления.

2. Теоретические пояснения

Газоразрядным источником лучистой энергии называется устройство, в котором оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в среде инертных газов, паров металлов и их смесей.

Газоразрядные лампы работают в режиме дугового разряда, падающая вольтамперная характеристика (ВАХ) которого указывает на его неустойчивость. Для стабилизации дугового разряда последовательно с газоразрядной лампой включается балластное сопротивление, значение которого должно быть больше абсолютной величины динамического сопротивления газоразрядного промежутка в режиме стабилизации.

Н

3 4

а рис. 1 показаны ВАХ режима дугового разряда газоразрядной лампы (1) и зависимость разности действующих значений напряжения сети и падения напряжения на балластном сопротивлении (2) в функции тока, протекающего в схеме. Любой стационарный режим протекания тока в схеме должен удовлетворять условиям:

Uс=Uл+Uб; (1)

R > Rд, (2)

где Uс - падение напряжения сети. В;

Uл, Uб - падение напряжения на лампе и балластном сопротивлении, В;

R - сопротивление стабилизирующего устройства, Ом;

Rд - сопротивление разряда, Ом.

Условие равенства напряжений выполняется в точках пересечения прямой (2) с ВАХ газоразрядной лампы (1). Однако лишь в точке В выполняется условие неравенства сопротивлений, т.к. возрастанию разрядного тока в этой точке ничто не препятствует, а сумма падений напряжений на газоразрядной лампе и балластном сопротивлении превысит напряжение сети. Следует отметить, что ни напряжение, ни ток не стабилизируются балластным сопротивлением. Стабилизируется только режим горения дуги.

Изменяя напряжение питающей сети и (или) значение балластного сопротивления можно определить зависимость падения напряжения от тока дугового разряда и построить ВАХ лампы.

При питании газоразрядных ламп от сети переменного тока для стабилизации дугового разряда может применяться активное, индуктивное и емкостное сопротивления.

Рассмотрим осциллограммы мгновенных значений напряжения, тока и светового потока лампы при стабилизации разряда с помощью активного балластного сопротивления (рис. 2,а).

5 6

По достижению сетевым напряжением Uс значения, равного напряжению зажигания Uз, в лампе возникает электрический разряд и появляется ток i. Сетевое напряжение перераспределяется между падением напряжения на балластном сопротивлении и на газоразрядной лампе. Ток через лампу протекает только в момент разряда. Форма мгновенных значений тока отличается от синусоиды. Перезажигание разряда в каждый полупериод сопровождается темновыми паузами тока: начальной н и конечной к. Общая пауза н+к может достигать 1/3 полупериода. Величина потока излучения Ф примерно пропорциональна величине тока i.

Наличие темновых пауз и временного несинусоидального изменения тока является причиной пульсации и снижения среднего значения светового потока. Недостатком схемы является большой расход электроэнергии в активном балластном сопротивлении (до 80% от расхода энергии в источнике излучения).

Стабилизация разряда при помощи индуктивного сопротивления имеет преимущества перед стабилизацией при помощи активного сопротивления. Благодаря сдвигу по фазе напряжения и тока сети значительно облегчается процесс перезажигания разряда лампы в каждый полупериод. При индуктивном балласте ток отстает от напряжения. В момент перехода тока через нулевое значение, к зажимам лампы оказывается приложенным значительное мгновенное напряжение сети Uc (рис. 2,б). Перезажигание разряда происходит без заметной темновой паузы. Форма кривой тока приближается к синусоиде. Потери мощности в индуктивном балластном сопротивлении составляют 10-30% от мощности источника излучения.

Недостатками схемы являются: большой расход материалов, низкий коэффициент мощности, высокая стоимость.

Емкостные балластные сопротивления для стабилизации газового разряда в сетях переменного тока промышленной частоты применяются редко. Емкостное балластное сопротивление используется в электрических сетях с повышенной частотой тока. Соответствующие этому случаю кривые мгновенных значений напряжения, тока и светового потока показаны на рис. 2,в. Большие паузы и всплески тока i приводят к значительному увеличению амплитуды светового потока и снижение срока службы газоразрядной лампы.

Л

5 6

юминесцентные лампы включаются в сеть посредством специальных пускорегулирующих аппаратов (ПРА). В зависимости от особенностей и режима зажигания люминесцентных ламп ПРА подразделяются на: импульсного зажигания с предварительным подогревом электродов и использованием стартера, горячего зажигания с использованием стартера; горячего зажигания с использованием постоянного подогрева электродов; мгновенного зажигания при холодных электродах лампы. Основными элементами схемы импульсного зажигания люминесцентных ламп являются: лампа, дроссель – в качестве балластного сопротивления и стартер.

Стартер (рис.3)представляет собой миниатюрную газоразрядную лампу с биметаллическим (одним или двумя) электродами, заполненную смесью 60% аргона, 28,8 % неона, 11,2% гелия. Стеклянная колба лампы стартера помещена в металлический корпус цилиндрической формы. Напряжение зажигания лампы стартера 200-127 не менее 70В, 130В для стартера 800-220 и 140 В для стартера 650-220. Обозначение стартера включает: С - стартер; 20 и 80 - предельные значения мощности зажигаемых люминесцентных ламп, Вт , 127 и 220 номинальное напряжение стартера, В.

Рис. 3. Стартер

П

7 8

ри подаче напряжения на схему ток через лампу не течет, так как газовый промежуток является изолятором и для пробоя нужно напряжение, превышающее напряжение в сети. В стартере возникает тлеющий разряд, сопровождающийся протеканием тока (20...50 мкА) в электрической цепи (дроссель, нити накала электродов люминесцентной лампы, стартер). Биметаллические электроды стартера разогреваются, изгибаются, накоротко замыкаются друг с другом и замыкают цепь накала электродов люминесцентной лампы через дроссель на напряжение сети. Проходящий при этом по нитям накала электродов ток в 1,5 раза превышает номинальный рабочий ток люминесцентных ламп.

Схемы включения люминесцентных ламп (рис. 4).

а) б)

в)

Рис. 4. Стартерные схемы включения люминесцентных ламп: а) одной лампы; б), в) двух ламп

За 1...2 с электроды люминесцентной лампы разогреваются до 700°, 900 °С, вследствие чего увеличивается электронная эмиссия и облегчаются условия пробоя газового промежутка. После прекращения газового разряда в стартере его электроды охлаждаются (вследствие прекращения разряда между ними) и, возвращаясь в исходное положение, разрывают цепь накала электродов люминесцентной лампы. В момент разрыва сети возникает электродвижущая сила самоиндукции в дросселе, величина которой пропорциональна индукции дросселя и скорости изменения тока в момент разрыва. Образовавшийся за счет ЭДС самоиндукции импульс повышенного напряжения (700...1000 В) прикладывается к электродам лампы. Происходит пробой и лампа начинает светиться. К стартеру, включенному параллельно лампе, подключается приблизительно половина напряжения сети, которого недостаточно для повторного пробоя его газового промежутка, и поэтому он больше не зажигается. Если люминесцентная лампа по какой-то причине не зажглась, весь процесс зажигания автоматически повторяется.

Конденсатор C предназначен для повышения соsj схемы, также служит для снижения радиопомех, некоторого увеличения длительности импульса зажигания лампы и уменьшения вероятности дугообразования между контактами стартера в момент их размыкания.

Балластное сопротивление предназначено для стабилизации режима дугового разряда в лампе.

В распространенных стартерных схемах самым ненадежным элементом схемы является стартер с подвижными, биметаллическими электродами. Существуют и безстартерные схемы включения люминесцентных ламп.

Электроды лампы разогреваются током вторичных обмоток накального трансформатора TV, что позволяет снизить напряжение зажигания лампы и, когда оно становится равным приложенному к лампе напряжению, возникает разряд. В рабочем режиме напряжение, подводимое к автотрансформатору снижается из-за падения напряжения в дросселе, однако некоторый подогрев электродов.

Альтернативой стартерной схеме зажигания ЛЛ является электронное ПРА.

Электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) — электронное устройство, осуществляющее пуск и поддержание рабочего режима газоразрядных осветительных ламп.

У

9 10

стройство ЭПРА.

Типичное ЭПРА состоит из следующих блоков.:

1. Фильтр электромагнитных помех — отфильтровывает как входящие в ЭПРА из сети помехи, так и проникающие из ЭПРА с электросети.

2. Выпрямитель.

3. Схема коррекции коэффициента мощности (опционально).

4. Фильтр постоянного тока.

5. Инвертор.

6. Балласт (дроссель).

Рис. 5. Мостовая схема инвертора

Рис. 6. Полумостовая схема инвертора

Инвертор может оснащаться устройством плавного регулирования яркости, требующим использования внешнего светорегулятора, специально предназначенного для управления электронным балластом.

Схема ЭПРА может быть мостовой (рис. 5) и полумостовой (рис. 6). Первая имеет вдвое большее количество ключевых элементов (как правило, это мощные полевые транзисторы) и используется при больших мощностях ламп (сотни Ватт). Вторая схема применяется намного чаще и, хотя она имеет более низкий КПД по сравнению с мостовой, использование специальных микросхем-драйверов, управляющих ключевыми элементами ЭПРА (например, марки ICB1FL02G) в значительной степени компенсирует этот недостаток. Нужно отметить, что указанные микросхемы применяются и в мощных ЭПРА.

Качественные ЭПРА, помимо перечисленных выше элементов, содержат встроенную защиту от перепадов напряжения сети, импульсных помех и запуска в отсутствие лампы.

Работа ЭПРА делится на три фазы:

Предварительный разогрев электродов лампы. Делает запуск лампы мгновенным, мягким (продлевает срок службы лампы) и возможным при низких температурах окружающей среды.

Поджиг — ЭПРА генерирует импульс высокого (до 1,6 кВ) напряжения, вызывающего пробой газа, наполняющего колбу лампы.

Горение — на электродах лампы поддерживается небольшое напряжение, достаточное для поддержания ее горения.