CS235536B2 - High-frequency current limiting ballast for economical lighting units - Google Patents

Description

Vynález se týká vysokofrekvenčního předřadníku k omezení proudu pro úsporné osvětlovací jednotky, zafiroubovatelný přímo . do objímek normálních žárovek, s výhodou pro elektrické výbojky opatřené 'normálními peticemi, s výhodou pro zářivky, vysokotlaké sodíkové výbojky nebo halogenové výbojky s kovovými parami, přičemž v předřadníku je použita tlumivka, spínací tranzistor a usměrňovač. .

Je dobře známo, ie proud elektrické výbojky musí být sériovým odporem, a to . na hodnotu, která je pro výbojku chaaakteeistická. Toto omezení proudu se provádí předřadníkem k výbojce. Tento předřadník způsobuje energetickou ztrátu. Vvniká proto snaha,·aby tato energetická ztráta byla co nejmenčí. Nejčasséjí používaný předřadník pro střídavé napájení výbojky sestává z tlumivky s jádrem, která jako impedance proud omezuue. Energie akumulovaná v maagietickém p(\li předřadníku je významná, ale způsobuje jen malé problémy, protože tato energie se v jak\klaótoých, tak v záporných půlvlnách zpětně akurnuuuje. Geometrické rozměry tlumivky se že^ezTým jádrem a její heoOt^(^i^^<t rovněž nezpůsobují žádné problémy, protože předřadník' může být uspořádán v tělese výbojky, to jest v armatuře, která obsahuje patici výbojky, zrcadla, ochranná skla a podobně, takže je pro předřadník dostatečně velký prostor.

Jestliže má být pouužta výbojka z úsporných nebo ekonomických důvodů místo žárovky s malou účinnootí, a to tak, že má být výbojka beze změny zapojení do dané objímky zaěroubovatelná, muuí konstrukce předřadníku vycházet ze zcela jiných předpokladů. Především je · třeba respektovat to, že proudový obvod žárovky takový proud omezujcí systém neobsahuje, a že 'současně ptice· normOlní žárovky vytvoření předřadníku značně znesnadňuje. Ták' se 'stávají geoιmtrické rozměry předřadníku značným problémem a jeho hmoonoot, estetický vzhled a nároky na tvar se stávají důležitými faktory. Je-li předřadník příliš velký, může se * stát, že výbojková jednotka nemůže být uspořádána v armatuře, ve které byla předtím zašroubována žárovka. \

K realizaci uvedených požadavků'je známo řešení, podle kterého je výbojka napájena místo ze sítě 50 Hz nebo 60 ' Hz vysokofrekvenčním generátorem. V tomto případě je třeba vysokofrekvenční generátor a předřadník konntruovat spolu s výbojkou. Pooužtí vysoké frekvtote přináší výhodu, že geoιmtrickl rozměry induktivního předřadníku mohou být eeení, protože - jak známo - impendance indukční cívky roste lineárně. Pod pojmem vysoká frekvence se rozumí rozsah 1 · až 100 kHz, protože pod 1 kHz se nedají přednnoti spojené s vysokou frekvencí účinně realizovat a nad 100 kHz vznikají, problémy s'vyzařováním. VyyokofrtkvtnČní napájení výbojek je v praxi dobře známé řešení. Jeho výhoda je v. tom, že například zvýšením frekvence stoupá i účinnost výbojek, Z úsporných důvodů se napájí.8 až 10 kusů výbojek z generátoru samo o sobě známým způsobem vytvořeného jako transformátor se železným jádrem. V tomto případě je způsob montáže předřadníku ' tradiční, to znamená, že je uspořádán v. arOatuře. Zrnonnení βeo!mtrických rozměrů v tomto případě není významným úkolem, i když jsou rozměry předřadníku vzhledem k vysoké frekvenci pochooPttloě eeení.

Pro zapojení předřadníku.o sítové frekvenci pro výbojky je charakteeittictl, že energie proudí mezi zdrojem proudu a výbojkou vždy obouutranně. Úspornost induktivního předřadníku, jak již bylo řečeno, je v tom, že když okamžitá hodnota ' sítového napětí právě stoupá, odebírá předřadník eneesii; akueeluje tuto energii v estetickém poli a pozděěi, když napi&ltí. klesá, tuto energii dodává.

U výbojek je důležitým činH^eem rytmus uvedeného zpětného zisku energie, to jest jinými slovy, časový průběh tohoto pochodu. Pulsy úspory energie jsou funkcí vlastní indukčnnoti předřadníku a napětí mezi elektrodami výbojky, to jest napětí zapálené výbojky nebo napětí výbojky. Tyto hodnoty se volí při vytváření schématu zapojení tak, že .v okamžiku, kdy je energie cívky vyčerpána, to jest proud výbojky má nulovou hodnotu a výbojka hasne, je okamžitá hodnota sítového napětí natolik vysoká,, aby výbojku znovu zapplila. Tato okolnost znamená jinými slovy, že fázový posun mezi proudem výbojky a sítovým napětím

235536 má být co největší, protože tak je znovuzapďXejnť výbojky na . konci periody lépe zajištěno.

Požadované napětí k znovuzapHení je tím vyšší, čí-m vyiífií. je tlak par ve výbojce. Jestliže si uvědomíme, že se stoupajícím tlakem se zlepšují optické . parametry výbojky, například barevné složení světla výbojky atd·, je zřejmé,.že je třeba získat co největší fázový rozdm. Aby se toho dosáhlo, je třeba vytvořit co . největší vlastní indukěnost, čímž zase rostou geomeerické rozměry.

V případě provozu při vysoké frekvenci je třeba pouUít výkonový zesilovač, který se realizujé v zapojení, které je samo o sobě známé, formou výkonového oscilátoru, který funguje jako vysokofrekvenční generátor. generátory je možné napájet ·.jen wětto, ta^kže sikové napětí se muuí usrněěnit. usměrňovače má· ale za následek, že se zamezí oboustratrnému proudění energie mezi sítí jako · hlavním zdrojem energie. a výbojkou. Požadované oboustranné spojení se dosahuje ve smyslu známých řešení pomocí transformátoru, takže spojení je místně regenerováno. Tento transformátor je výkonovým transformátorem výkonového oscilátoru a na primáni straně transformátoru teče proud vždy jedním směrem, většinou jde o kolektorový proud tranzistoru, · i když jeho amplituda kmitá v rytmu vysoké frekvence. Na sekundární cívce, která přes předřadník napájí výbojku, je ale normální střídavé napptí. Tímto způsobem je možné realizovat v sekundárním proudovém obvodu oboustranné energetické spojení · mezi zdrojem proudu - sekundární cívka a výbojkou přes předřadník. Exergie v rozptylové indukčnnssi transformátoru je však ztracena.

Takový předřadný vysokofrekvenční systém je popsán v řešení kombinované lampy v US-PS4 170744. U tohoto řešení je lampa vybavena normáání objímkou a výbojková trubice i žhavicí spirála jsou uspořádány ve společné baňce a předřadník výbojkové trubice a vysokofrekvenční generátor jsou rovněž připojeny k objímce. Tato lampa patří k úsporným světeným zdrojům, popřípadě k té katégosni výbojek, které se dají beze změn nebo doplňků použít místo, normááních žárovek. Následkem toho hmoonost předřadného systému a geomeerické rozměry jsou velmi důležité. generátoru, předřadníku a výbojky je podle tohoto řešení tradiční á·předřadník . je řešen pomocí transformátoru se železným . jádrem, ve kterém sekundární ·cívka známým způsobem představuje funkci předřadníku, přičemž sekundární cívka je volně vázána s promárním proudovým okruhem - rozptylový transformátor.

Jiná známá komppktní výbojka je rovněž vybavena obvyklým předřadníkem, a to 4ak, že její kulová baňka se závitem E 26 obsahuje výbojku ve tvaru U-trubiče a část předřa^n^u.

Obě řešení svítidel mmaí tu nevýhodu, že transformátor obsažený v · předřadníku zabírá příliš mnoho místa, což má za následek neúměrnou hmoonnot.

Cílem vynálezu je odstranit výše uvedené nedostatky, a to vytvořením předřadného systému, který umožňuje výrobu úsporných svítidel jednoduSše!, snadnnji a v mmnních rozmmrech, a to tak, že ke znovuzapHení jé možno v širších mezích zvýšit, takže .

u některých vysokotlakých výbojek je možno zvýšit tlak a tím zajistit z toho plynoucí výhody. '

Dalším cílem vynálezu bylo zjednodušení předřadníku a tím zjednodušení výroby úsporných svítidel, především odstraněním železného jádra a s ohledem na elektrody moonnst vytvoření asymetrických výbojek.

Vynniez spočívá na poznatku, že je-li připojen na vstup spínacího tranzistoru zapojeného do série s ' proudovým obvodem výbojky vysokofrekvenční proudový obvod s asymetrickým časováním a obdélníkového průběhu nap0tí, nebo je-li část obvodu sestávajícího z výbojky a přímo k · ní . připojené tlumivky s diodou.v paralelním zapojení přemootěna tak, že směr ₄ vodivooti diody je opačný než spínacího tranzistoru, mohou být výše uvedené požadavky plně uspokojeny a . pro úsporné osvětlovací jednotky lze vytvořit výhodn^ší předřadný systém a lze.též s ohledem na dosud neřešené elektrody zhotovit asymeerické výbojky, jako například vysokotlaké sodíkové výbojky.

Uvedené nevýhody jsou odstraněny u vysokofrekvenčního předřadníku podle vynálezu, jehož podstatou je, že výbojka, tlumivka a spínací tranzistor jsou vzájemně spojeny v sérii, přičemž výbojka a tlvmivka jsou . spolu spojeny a přemostěny paralelně diodou a směr propustnosti diody je opačný vůči směru propustnosti spínacího tranzistoru a ke vstupu spínacího tranzistoru je připojen řídicí obvod, nezávislý na obvodu výbojky, pro vytváření obdélníkových vln o kmitočtu 1 až 100 kHz.

DalSí podstatou vynálezů je, že tlumivka je typu se vzduchovým jádrem.

Vynniez bude blíže objasněn na příkladech provedení pomocí obrázků,.kde obr. 1 představuje možné zapojení předřadného systémů p^í^Xe vynálezu, ' obr. 2 ukazuje změny napětí na - svorkách tlumivky jako funkci času i obr. 3 představuje možnou formu provedení předřadníku podle vynálezu, která je použita v úsporné . osvětlovací jednotce.

Jak je vidět na obr. 1, sestává hlavní proudový obvod £ ze sílového usměrňovače 1 připojeného k síti tlumivky £, výbojky £ a spínacího tranzistoru 2· Tlumivka J a výbojka £ jsou přemoetěny diodou ' j6,.jejíž vodivostní směr vzhledem k sílovému napětí je opačný než vodivostní směr usměrňovače £.

Na vstup 'spínacího tranzistoru 2 je připojena řídicí jednotka £, která vytváří obddlníkové napětí a spíná, popřípadě vypíná spínací tranzistor 2· Tato řídicí jednotka £ může být provedena jako generátor,obdélníků,.ale řízení je možné převzít z hlavního proudového obvodu £, takže vznikne oscilátor. Tato možnost je na obr. 1 znázorněna jako zpětná vazba *. Zpětná vazba se může uzavírat na spínací tranzistor 2, ale teto varianta provedení nemá pro pocdstatu vynálezu žádný význam.

Usměrněné napptí se filtruje kondenzátorem 8, který má ale důležitou úlohu v již uvedeném vytváření n^]^í^1^:í znovuzepálení a je-li v- obvodu řídicí jednotka £, je tato napájena vedením . 10 a ' Ц.

Obvod pracuje takto: otevře-li řídicí jednotka £ spínací tranzistor 2> dostane se usměrněné síťové napni na výbojku £ a výbojka zappáí. Tento způsob zapálení je velmi výhodný, prótože kondenzátor 8 akumuuuje téměř Špičkovou hodnotu - sílového napptí, která je k dispozici v témdř každé fázi periody, a to v protikladu k běžným zapojením, nebo μ řečení - pomocí vysokofrekvenčního transformátoru, u kterých mní být posuvem fáze zajištěno, aby napptí pro znovuzappáení bylo k dispozici a tedy za cenu určitých kompromisů.

Lze předpokládat, že proud výbojky £ začíná nulou. 0 předpokladech startování bude pojednáno dále. Dioda 1 ještě nevede, protože napni na tlumivce £ a výbojce £ má předpdtí v závěrném směru. Takto se . usměrněné napptí rozddlí na tři členy.

Úbytek napptí na svorkách spínacího tranzistoru £, nezávvsle na hodnotě oapětí, je menší než 1 V, který v případě napájecího -oapětí, 100-200 V není vůbec třeba uvažovat. Napni na svorkách výbojky £ je vzhledem ke známé chaaaatteřstice elektrického obloukového'- výboje prakticky nezávvslé na , proudu a je tedy konntantní. Naaní na výbojce,, závisí na tlaku par výbojového prostoru. Při prvním zapnnuí, dokud je výbojka £ ještě studená, tj., její tlak par - je ještě nízký, je 20 až 30 V, po přibližně 5 minutách ohřátí dosahuje asi - „poloviny sílového napni, to jest v - případě sílového napětí' 200 V - asi 90 až 100 - V.

Napni na svorkách předřadníku bude rovněž konntantní, protože během spínací doby je svou hodnotou nižší než napětí oβpějecí, nižší než napní zapálené výbojky. Přírůstek proudu je určen těmito uvedenými -napěťovými rozdíly a vlastní iodukčnootí tlumivky £, a to ve smyslu tohoto samo o sobě známého vztahu:

U - U.

i = ---------¹ t ,

L kde i proud výbojky, U usměrněné sílové napětí,

Uj napětí zapálené výbojky, t doba, která uplynula od zapnutí,

L vlastní indukčnoet předřadníku.

Spínací tranzistor se s výhodou zapíná na tak dlouho, dokud proud nedosáhne dvojnásobku vypočtené průměrné hodnoty jako 'podílu výkonu a napětí na výbojce za předpokladu, že napětí na výbojce je konntantní a střední hodnota proudu tvoří polovinu špičkového napětí lineárně rostoucího proudu.

Špičkové napětí, které má být dosaženo, bude max

U₍ kde

P příkon výbojky

V okamžiku vypnutí spínacího tranzistoru £ překlopí napětí na svorkách ' tlumivky £ do obráceného sm^i^u, takže se otevře dioda 6 a napětí vzniklé z odeznívání magnntického pole se dostane přímo na svorky výbojky 4. Protože je napět-í na výbojce konntantní a nezávislé na proudu, poklesne předchozí špičkové lineárně podle následujícího vztahu:

kde t doba měřená od vypnul.

Meeztím je magnneická energie akumulovaná v předřadníku předána výbojce ,4. ·

Při měření obvodu podle vynálezu je třeba vzít v úvahu, že energie tlimivky £ se plně vyčerpá, to znamená, že tato energie dosáhne v průběhu vypínací periody nulovou hodnotu proudu. Je-li známa vlastní indukčnost, je možné k tomu potřebný čas z výše uvedeného vztahu vypěSííat' Jestliže proud diodou 6 neklesne na nulu, může se dioda 6. a spínací tranzistor £, než se znovu otevře spínací tranzistor jj, vlivem velkého proudu znňČit.

Obrázek 2 znázorňuje změny napětí na svorkách tlimivky J jako funkci času a znázorňuje současně zapínací a vypínací pochody. Na obrázku znamená tj zapnutí, tg dobu doznívání proudu, t^ bezpečnootní interval, se kterým nutno pooítat s ohledem na rozptyl parametrů součástek, provozní dobu diody £ v závěrném směru a vodivý stav diody £. Nepřerušovaná křivka představuje v uvedených provedeních ideální případ, kdy je napětí na výbojce skutečně konntaitní. Ve sk^lteč^^c^o^t^^i je chaaaateeistika jak při zapálení, tak při vypnuu.! po někud odlišná. Tyto poměry jsou znázorněny čárkovaně; budiž ale zdůrazněno, že tyto okolnosti nemaaí v ssutVslosti s vynálezem žádný význam.

Obrázek 3 představuje pouHtí výbojky s předřadníkem podle vynálezu. Na hrdle úsporné výbojky 21. je uspořádáno těleso 22 cívky, které obsahuje predřadnou cívku 23, která tvoří vícevrstvý ' solenoid se vzduchovým jádrem. Baňka 21 a úsporné výbojky má rozměry i tvar normální žárovky, ale místo žhavicí spirály je výbojkaumístěna do baňky. Prvky 25 a 26 jsou umístěny v elektronická -jednotce 27 pod hrdlem 21b. Elektronický jednotka 27 obsahuje další prvky předřadného systému popsané na obr. 1. Tlumivka к ní připojená elektronická jednotka 27a mezi nimi uspořádaná stínící destička 28 jsou vsazeny do ochranné objímky 29, ke která je připevněna závitová patice 30 úsporné výbojky. Jednotka 33 obsahující celý předřadný systém, jé к baňce 21a přitmelena.

Při výpočtu hlavních parametrů předřadného systému se vychází ze sílového napětí, usměrněného napětí U, výkonu výbojky P a napětí zapálené výbojky U₂, jakož i z vlastní indukčnósti L předřadné cívky. Úlohou je přesné určení spínací doby t^, vypínací doby t₂ a bezpečnostní doby ty Tyto tři časy určují dobu periody T, jejíž převratná hodnota je hledaná vysoká frekvence f.

Touto měřicí metodou je zdůrazněna primární úloha předřadné cívky před frekvencí, protože hlavním úkolem vynálezu je omezení rozměrů, hmotnosti, provedení a uspořádání předřadné cívky, která je určujícím prvkem zabírajícím největší prostor v konstrukci úsporných osvětlovacích jednotek, zvláště s cílem nahradit běžné žárovky úspornými osvětlovacími jednotkami, přednostně výbojkami.

Zvláště výhodné je použití vícevrstvých cívek, to jest solenoidů, se vzduchovým jádrem, protože je to nejlacinější a nejsnadnější, je možno je uspořádat esteticky a prakticky nezvětšují původní rozměry žárovky. Nedostatkem ale je, že oproti cívkám se železným jádrem potřebují k.dosažení stejné hodnoty vlastní indukčnósti větší prostor. To lze však kompenzovat tak, že je možno cívku uspořádat na hrdle výbojky, čímž vzniká nárok jen na něpodstatný dodatečný prostor. Její menší indukčnost je kompenzována ve smyslu obvodu podle vynálezu. Podle zkušeností s příkladným provedením výbojky podle vynálezu může být úsporná 20 až 50 W vysokotlaká výbojka v zašroubovatelném provedení o indukčnósti 1 až 3 mH vytvořena tak výhodně, jak to znázorňuje obr. 3.

S ohledem na určení bezpečnostní doby t^ byla dosud uvažována jen ochrana tranzistoru £· Obvod podle vynálezu nabízí ale v širokých mezích možnost zvýšit bezpečnostní dobu, takže světelné parametry některých vysokotlakých výbojek je možno zlepěit.

spínacího

Je známo, že účinnost vysokotlakých sodíkových výbojek při stejném příkonu může být zvýěena zvýšením proudu. J známých zapojení, u kterých je průměrná životnost výbojky a špičkové napětí vždy v jednoznačném souladu, je možné tuto možnost využít jen tak, že napětí zapálené výbojky se udržuje co nejnižší. To má však za následek, že vlastní indukčnost předřadníku a tedy geometrické rozměry, hmotnost a jalový proud jsou větší. U našeho zapojení můžeme prodloužením bezpečnostní doby při stejném středním proudu dosáhnout i vyšších špičkových proudů. Jestliže například je bezpečnostní doba tak dlouhá jako součet doby zapnutí a vypnutí, nebude špičkový proud dvojnásobkem středního proudu, ale čtyřnásobkem. Při určování provozního režimu výbojky mohou rozhodovat tato a podobná hlediska. Tak je pochopitelné, že názor na bezpečnostní dobu t^ J® dán určením doby zapnutí t^a vypnutí t₂.

Lze například vypočítat provozní parametry 35 W vysokotlaké sodíkové výbojky v případě, že bude použit předřadník podle vynálezu. Je nutno uvažovat následující předpoklady: sílové napětí 220 V usměrněné napětí U = 230 V příkon P = 35 W napětí zapálené výbojky ^s 70 V vlastní indukčnost tlumivky L = 2,2 mH bezpečnostní doba t^ = 0,0 s

Ί

Protože je bezpečnostní doba rovna nule, bude špičkový proud ^max

Dobu zapnutí a vypnutí počítáme podle rovnice I а III;

Doba zapnutí:

^max ‘ ^L и - u₍ . 2 . 2 . 10'³

-------------------- = 0,0137 . 10~³ s

230 - 70

Doba vypnutí:

ímax * ^{L г}2 ^{= U}1 . 2 . 2 . 10”³

------------------- = 0,03'4 . Ю*³ s

Bezpečnostní doba: t^ = 0,0 s

Trvání periody: T = t^ + t£ + t^ = 0,045' - 10^ _s

Frekvence: f = = 22,172 kHz

Je-li bezpečnostní doba zvolena tak dlouhá, že je řádově v mezích doby zapnutí a vypnutí, počítá se i v tomto případě napřed špičkový proud, a to jednoduchým výpočtem plochy na diagramu proud-čas, protože napětí výbojky je konstantní. Dále je průběh výpočtu stejný.

Použitím předřadníku podle vynálezu mohou být vytvořeny a provozovány takové výbojky, jejichž elektrody nejsou stejné, to jest jedna elektroda působí jako katoda a druhá je anoda. Takto vytvořená asymetrická zářivka, vysokotlaká sodíková výbojka nebo halogenová výbojka s kovovými parami se liší od známých a běžných typů a vztahuje se na ně rozsah ochrany vynálezu.

Claims (1)

1. Vysokofrekvenční předřadník к omezení proudu pro úsporné osvětlovací jednotky, zaŠroubovatelný přímo do objímek normálních žárovek, s výhodou pro elektrické výbojky opatřené normálními peticemi, s výhodou pro zářivky, vysokotlaké sodíkové výbojky nebo halogenové výbojky s kovovými parami, přičemž v předřadníku je zapojena tlumivka, spínací tranzistor a usměrňovač, vyznačující se tím, že výbojka (4), tlumivka (3) a spínací tranzistor (5) jsou vzájemně zapojeny v sérii, přičemž výbojka (4) a tlumivka (3) jsou spolu spojény a přemostěny paralelně diodou (6), jejíž směr propustnosti je opačný vůči směru propustnosti * spínacího tranzistoru (5) a ke vstupu spínacího tranzistoru (5) je připojen řídicí obvod (7), nezávislý na obvodu výbojky (4) pro vytváření obdélníkových vln o kmitočtu 1 až 100 kHz.

^w 2. Vysokofrekvenční předřadník podle bodu 1, vyznačující se tím, že tlumivka (3) je typu se vzduchovým jádrem.