PL204319B1 - Urządzenie sterujące do świetlówki posiadającej wbudowany element chłodzenia - Google Patents

Description

Wynalazek dotyczy elektronicznego urządzenia sterującego pracę świetlówek mający zastosowanie w przemyśle oświetleniowym.

W konwencjonalnych świetlówkach ciśnienie par rtęci wzrasta wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. W niskich temperaturach, strumień światła świetlówki wzrasta początkowo wraz ze wzrostem ciśnienia par rtęci i ze wzrostem temperatury, ponieważ gdy wzrasta ciśnienie, więcej atomów rtęci staje się dostępnych do generowania światła. W wyższych temperaturach i przy wyższych ciśnieniach par rtęci, straty spowodowane samopochłanianiem zwiększają się wraz ze wzrostem temperatury, co skutkuje zmniejszeniem strumienia światła. Optymalna temperatura pracy leży gdzieś pośrodku.

Przyciemnianie świetlówki powoduje, że temperatura lampy spada, ponieważ zmniejsza się jej moc. Przy strumieniu światła wynoszącym 10% wartości maksymalnej, temperatura atmosfery lampy t.j. temperatura wewnątrz lampy spada do około 25°. To powoduje dalsze zmniejszanie się strumienia światła. Aby uniknąć takiej dodatkowej redukcji strumienia światła, spowodowanej odbiegającą od wartości optymalnej temperaturą, niektóre rodzaje stateczników przystosowanych do ściemniania podgrzewają spiralę grzejną lampy prądem, który jest niezależny od ściemnienia. W wyniku tego ściemnienie elektryczne za pomocą modulacji szerokości impulsu do 10% spowoduje, że strumień światła również spada do 10% wartości maksymalnej. Ponieważ prąd spirali grzejnej jest niezależny od ściemnienia, nieściemnione lampy osiągną temperaturę pracy około 45°C. Jak już zostało wspomniane, straty spowodowanie samo pochłanianiem rosną, gdy temperatura pracy jest zbyt wysoka. Z tego powodu maksymalne wartości strumienia światła, przy tego typu elektronicznym stateczniku, są mniejsze niż w przypadku statecznika nie przystosowanego do ściemniania.

W zgłoszeniu patentowym EP 1017257 opisano świetlówkę bez czujnika temperatury na dokonywania pomiaru temperatury miejsca chłodzenia lub w okolicy miejsca chłodzenia.

Wspomniane urządzenie nie posiada również podgrzewacza spirali do dostarczania odpowiedniej temperatury świetlówki.

Zgłoszenie patentowe US 5808418 opisuje lampę wypełnioną amalgamatem, posiadającą tarczę grzewczą, która jednocześnie definiuje obszar chłodzenia znajdujący się pomiędzy podstawą świetlówki a krańcem tarczy grzewczej. Ciśnienie par rtęci jest określane przez temperaturę występującą w tak ustalonym obszarze chłodzenia. Wspomniane rozwiązanie nie posiada czujnika temperatury, który pozwalałby na dokonywanie pomiaru temperatury miejsca chłodzenia lub w okolicy miejsca chłodzenia. W omawianym rozwiązaniu wspomniano również o podgrzewaczu spirali o mocy podgrzewacza spirali sterowanej w taki sposób, żeby temperatura świetlówki pozostawała w optymalnym zakresie.

Zgłoszenie patentowe US 5274305 oraz DE 2138793 opisują urządzenia bez czujnika temperatury, który pozwalałby na dokonywanie pomiaru temperatury miejsca chłodzenia lub w okolicy miejsca chłodzenia. Wspomniane urządzenia nie posiadają również podgrzewacza spirali o mocy podgrzewacza spirali sterowanej w taki sposób, żeby temperatura świetlówki pozostawała w optymalnym zakresie.

Dostępne komercyjnie elektroniczne stateczniki, dostosowane do ściemniania lub nie, przeznaczone do stosowania ze świetlówkami nie są w stanie utrzymać optymalnej temperatury świetlówki przy zmiennej temperaturze otoczenia. Nieoczekiwanie wspomniany problem rozwiązał prezentowany wynalazek.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie sterujące świetlówki zawierającej wbudowany element chłodzenia, za pomocą którego można kontrolować ciśnienie par rtęci wewnątrz świetlówki, poprzez podgrzewanie tego elementu, charakteryzujące się tym, że posiada czujnik temperatury mierzący temperaturę elementu chłodzenia lub temperaturę w okolicy elementu chłodzenia oraz podgrzewacz spirali o mocy podgrzewacza spirali sterowanej w taki sposób, żeby temperatura świetlówki pozostawała w optymalnym zakresie. Równie korzystnie urządzenie charakteryzuje się tym, że czujnik temperatury jest umieszczony w nasadce świetlówki w pobliżu elementu chłodzenia. Korzystnie urządzenie charakteryzuje się tym, że urządzenie jest stosowane w świetlówkach T5. Równie korzystnie urządzenie sterujące według wynalazku charakteryzuje się tym, że świetlówka zawiera generator wielkiej częstotliwości, wzmacniacz mocy oraz modulator szerokości impulsu. Świetlówka pracuje przy wielkiej częstotliwości generowanej przez generator częstotliwości i wzmacniacz mocy, a modulator szerokości impulsu stosowany jest do sterowania szerokością impulsu prądu o wielkiej częstotliwości, a zatem prądu świecenia. W kolejnej równie korzystnej realizacji wynalazku urządzenie charakteryzuje się tym, że zawiera kontroler napięcia zasilającego generujący sygnał wyjściowy podawany do modulatora szerokości impulsu, sterujący nim w taki sposób, że strumień światła generowany przez podłączoną do niego

PL 204 319 B1 świetlówkę, będzie niezależny od poziomu napięcia zasilania. W następnej korzystnej realizacji wynalazku urządzenie sterujące charakteryzuje się tym, że stabilizator współczynnika ściemnienia, który ponadto generuje sygnał wyjściowy dla modulatora szerokości impulsu tak, że strumień światła podłączonej świetlówki będzie ściemniany zgodnie z wartością rezystora podłączonego do wejścia ściemniacza lub napięciem podanym na wejście ściemniacza. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku urządzenie sterujące charakteryzuje się tym, że zawiera regulator podgrzewacza spirali, który odbiera sygnał wyjściowy z czujnika temperatury, żeby sterować mocą grzejną spirali grzejnej, przy czym do regulatora podgrzewacza spiral podawany jest także sygnał ze stabilizatora współczynnika ściemnienia. Równie korzystnie urządzenie sterujące według wynalazku charakteryzuje się tym, że posiada prostownik oraz generator wielkiej częstotliwości, przy czym wyjście generatora częstotliwości jest połączone z transformatorem wielkiej częstotliwości, natomiast jedno wyprowadzenie uzwojenia wtórnego transformatora jest podłączone do końcówki jednej ze spiral grzejnych, a drugie wyprowadzenie uzwojenia wtórnego jest podłączone do końcówki drugiej spirali grzejnej świetlówki.

Nowe świetlówki T5. o mocach od 14 do 35 W i od 24 do 80 W, są wyposażone w element chłodzenia pod spiralą grzejną, w szczególności spirali grzejnej na wytłoczonym końcu lampy, za pomocą którego możliwe jest regulowanie ciśnienia par rtęci poprzez podgrzewanie spirali i w ten sposób elementu chłodzenia. Świetlówki T5 są zaprojektowane tak, żeby osiągnąć optymalną temperaturę pracy 35°C bez podgrzewania spiral, przy temperaturze otoczenia wewnątrz lampy 25°C. Świetlówki T5 są szczególnie wrażliwe na zmienne temperatury, reagując znaczną redukcją strumienia światła, jeśli optymalna temperatura nie jest zachowana, czyli jeśli ciśnienie par rtęci nie jest optymalnie wyregulowane. Temperatura pracy jest utrzymana, gdy świetlówki T5 są używane w połączeniu z nowoczesnymi urządzeniami sterującymi, zwanymi również statecznikami elektronicznymi (EVG - elektronische Vorschaltgerate).

Przedmiotem wynalazku jest właśnie dostarczenie energooszczędnego urządzenia sterującego. Zaletą pomiarów temperatury w miejscu chłodzenia lub w okolicy miejsca chłodzenia, i takiego podgrzewania spirali po stronie miejsca chłodzenia, że mierzona temperatura pozostanie stała, jest fakt, że w ten sposób zostanie utrzymane optymalne ciśnienie par rtęci niezależnie od ściemnienia lampy i zmian temperatury otoczenia. Najlepszym i najpewniejszym sposobem dostosowywania optymalnego ciśnienia par jest mierzenie temperatury w miejscu aluminiowej nasadki lampy nad miejscem chłodzenia, ponieważ to jest właśnie temperatura, która określa ciśnienie par rtęci w lampie. Zaletą sterowania wprowadzonego w wynalazku jest dostrojenie odpowiedniej maksymalnej wydajności świecenia przy dowolnej temperaturze otoczenia i ściemnieniu, w granicach fizycznych możliwości lampy.

Przedmiot wynalazku zilustrowano w przykładach realizacji na załączonym rysunku, na którym fig. 1 jest schematem blokowym urządzenia sterującego zgodnie z wynalazkiem, a fig. 2 jest schematem obwodu urządzenia sterującego, łącznie z obwodami składników strukturalnych urządzenia sterującego.

Figura 1 przedstawia urządzenie sterujące zgodnie z wynalazkiem. Zaleca się, żeby sterowało ono świetlówką T5 12. Świetlówka zawiera spirale grzejne 13 i 14, z elementem chłodzenia znajdującym się pod spiralą 13. Urządzenie sterujące składa się z filtra zasilania 1, układu mostka prostowniczego 2, generatora wielkiej częstotliwości 3, modulatora szerokości impulsu 4, wzmacniacza mocy FET 5, zespołu elementów strukturalnych 6 wyłącznika bezpieczeństwa i sterowania napięcia podtrzymania, zasilacza niskiego napięcia 9, regulatora 10 podgrzewacza spiral, podgrzewacza 11 spiral, stabilizatora współczynnika ściemnienia 8, czujnika temperatury 15.

Jak pokazano na fig. 2, filtr linii zasilającej 1 może być zrealizowany na przykład za pomocą podwójnych dławików 25 i 26 z rdzeniem, oraz kondensatorów 27 i 28. Ponadto jeszcze jeden dławik 24 i jeszcze jeden kondensator 21 może być umieszczony w filtrze linii zasilającej 1. Zaleca się, żeby mostek prostowniczy 2, składał się z czterech diod 31, 32, 33 i 34. Kondensatory 29 i 30 mogą zostać zastosowane w celu dalszego wyeliminowania wysokoczęstotliwościowego szumu wywołanego przez włączanie i wyłączanie diod. Dodatkowo, układ mostka prostowniczego 2 zawiera jeden lub więcej kondensatorów elektrolitycznych 35 i 36 w celu redukcji falowania napięcia stałego. Generator wielkiej częstotliwości 3 jest zrealizowany za pomocą układu scalonego 43 połączonego z rezystorami 50 i 52 oraz kondensatorami 51 i 42.

Jest powszechnie wiadomym, jak powinien być zaprojektowany modulator szerokości impulsu. Zaleca się, żeby wzmacniacz mocy 5 (zbudowany z tranzystorów polowych) FET, składał się z tranzystorów 38 i 40. Można ponadto zastosować rezystory 39 i 41 w celu ochrony układu scalonego 43 przed zbyt dużymi prądami w czasie włączania i wyłączania tranzystorów 38 i 40. Poza tym, wzmac4

PL 204 319 B1 niacz mocy FET 5 zawiera kondensator 37, służący do tłumienia napięcia stałego i dławik 63, żeby zapewnić obciążone impedancyjnie napięcie wyjściowe dla świetlówki. Zasilanie świetlówki obciążonym impedancyjnie napięciem jest konieczne, ponieważ świetlówka posiada ujemną różnicową rezystancję, przy której w typowym zakresie pracy, prąd wzrasta pomimo spadającego napięcia. Powodem wyboru wielkiej częstotliwości jest fakt, że spirale o niskiej indukcyjności generują wystarczającą reaktancję wraz ze wzrostem częstotliwości. Dlatego też wymiary konstrukcyjne dławika 63 stają się mniejsze przy wielkich częstotliwościach. Jedna z elektrod kondensatora 37 jest podłączona do obu tranzystorów FET, a druga do końcówki dławika 63. Napięcie podtrzymania 16 świetlówki może być pobrane pomiędzy drugą końcówką dławika 63, a napięciem sterującym wzmacniacza mocy FET.

W zalecanym rozwią zaniu zespół elementów strukturalnych 6, peł nią cych funkcje wyłącznika bezpieczeństwa oraz sterowania napięcia podtrzymującego jest zrealizowany za pomocą rezystorów 48, 58, 66. tyrystora 54, kondensatorów 57 i 59, oraz diod 53, 55, 56 i 60. W szczególności rezystor 66 razem z diodami 53 i 55 zapewniają wyłączenie urządzenia sterującego w przypadku, gdy napięcie podane do systemu jest zbyt wysokie i mogłoby uszkodzić urządzenie i/lub świetlówkę. Napięcie podtrzymania jest monitorowane w szczególności przez rezystory 58, 61, 62, diody 56, 60 i kondensatory 57 i 59.

Dopóki świetlówka nie została zapalona, wzmacniacz mocy generuje napięcie podtrzymania o wartości około 800 V pomiędzy dwoma włóknami świetlówki, dzięki układowi rezonatora utworzonemu przez kondensatory 37 i możliwie również przez 65, oraz przez cewkę 63. Po zapłonie świetlówki napięcie to spada do ok. 200 - 300 V dzięki tłumieniu układu rezonatora przez świetlówkę. Modulator szerokości impulsu i wraz z nim wzmacniacz mocy zostaną wyłączone przez sterownik napięcia podtrzymania w zespole elementów strukturalnych 6 w przypadku, gdy napięcie zapłonowe nie spadnie do wartości 200 - 300 V w ciągu 0,5 do 1 s po włączeniu napięcia podtrzymania, czyli jeśli nie dojdzie do zapłonu świetlówki.

W innym rozwiązaniu zapłon świetlówki jest określany poprzez pomiar prądu drenu tranzystora mocy. Po zapłonie wzrasta średnia wartość tego prądu w czasie. W tym celu, zaleca się podłączyć rezystor pomiędzy ujemnym biegunem napięcia zasilania, a drenem tranzystora 40 i podać spadek napięcia na tym tranzystorze poprzez diodę 60 do kontrolera napięcia podtrzymania.

Kontroler sterownik napięcia zasilania 7 wpływa również na modulator szerokości impulsu. Kontroler napięcia zasilania 7 zmienia modulację szerokości impulsu tak, że świetlówka będzie świeciła z taką samą jasnością bez względu na fluktuacje napięcia zasilania. Jest to szczególnie przydatne, ponieważ nominalne napięcia sieci energetycznej w różnych krajach Europy i w USA są zróżnicowane pomiędzy 220 a 240 V. W ten sposób różne charakterystyki specyficzne dla różnych krajów zostają skompensowane przez sterownik napięcia 7.

Zasilacz niskiego napięcia 9 wytwarza napięcia stałe o wartości 15 V dla stabilizatora współczynnika ściemnienia 8 i regulatora 10 podgrzewacza spiral. W celu ściemniania świetlówki, można podłączyć potencjometr lub fotokomórkę do stabilizatora współczynnika ściemnienia 8. poprzez wejście ściemniacza 16. Stabilizator współczynnika ściemnienia 8 może mierzyć napięcie lub rezystancję na wejściu ściemniacza. Po włączeniu, regulator 10 podgrzewacza spiral steruje podgrzewaczem 11 w taki sposób, że obie spirale grzejne 13 i 14 bę dą podgrzewane pełną mocą przez 0,3 do 0,5 sekundy zanim wzmacniacz mocy FET 5 poda napięcie zasilania do świetlówki.

Wstępne podgrzewanie włókna żarzeniowego jest znane jako tzw. gorący start. Gorący start ogranicza zużywanie się spiral grzejnych 13 i 14. Okres użytkowania świetlówki bez startów wynosi około 20 000 godzin pracy. Częste zimne starty, czyli starty bez podgrzewania wstępnego spiral grzejnych, ograniczają okres użytkowania do około 5 000 godzin pracy.

W zalecanym rozwiązaniu tylko spirala grzejna 13 jest podgrzewana po starcie świetlówki. Spirala grzejna 14 jest całkowicie odseparowana od podgrzewacza tak, że sam podgrzewacz spiral nie zwiera wzmacniacza mocy 5, kiedy wzmacniacz mocy podaje napięcie podtrzymania.

Problem zwierania wzmacniacza mocy przez podgrzewacz spiral może być jeszcze bardziej zredukowany, jeśli podgrzewacz spiral jest podgrzewany prądem zmiennym i gdy do spirali grzejnej jest podłączony transformator zawierający dwa uzwojenia wtórne, po jednym dla każdej spirali.

Po starcie moc grzejna podgrzewacza spiral jest kontrolowana przez regulator 10 podgrzewacza spiral, tak żeby temperatura mierzona przez czujnik temperatury 15 pozostawała stała. W tym celu sygnał wyjściowy czujnika temperatury jest podawany do regulatora podgrzewacza spiral. Ponadto regulator podgrzewacza spiral odbiera sygnał sterujący ze stabilizatora współczynnika ściemnienia 8. Ten ostatni sygnał pozwala na lepszą kontrolę procesu zmiany ściemnienia. Jeśli ściemnienie jest gwałPL 204 319 B1 townie zwiększane lub zmniejszane czujnik temperatury 15 reaguje z opóźnieniem, zgodnie z temperaturą aluminiowej nasadki świetlówki, która zmienia się wraz z mocą lampy. Inaczej mówiąc, sterowanie podgrzewacza spiral może być zrealizowane za pomocą algorytmu regulacji proporcjonalno całkująco różniczkującego (ang. PID, P = proportional, I = integral, D = differential). W szczególności składnik różniczkujący jest obliczany na podstawie sygnału uzyskanego ze stabilizatora współczynnika ściemnienia.

Ponadto stabilizator współczynnika ściemnienia wpływa na modulator szerokości impulsu stosownie do ściemnienia.

W jeszcze jednym zalecanym rozwiązaniu, w czasie pracy, podgrzewana jest nie tylko spirala grzejna 13, lecz również spirala grzejna 14, najlepiej obie z jednakową mocą grzewczą. W tym rozwiązaniu temperatura wewnątrz świetlówki i zarazem ciśnienie par rtęci są utrzymywane w optymalnym zakresie, szczególnie przy dużych wahaniach temperatury otoczenia.

W jeszcze jednym zalecanym rozwiązaniu, spirala grzejna 14 nie jest podgrzewana nawet podczas startu. To rozwiązanie pozwala na zaoszczędzenie elementów podgrzewacza spiral i na wykonanie połączenia elektrycznego do spirali grzejnej 14. Takie rozwiązanie jest korzystne szczególnie wtedy, gdy świetlówka jest rzadko włączana i wyłączana. Odpowiedni obwód jest przedstawiony na fig. 2.

Figura 2 przedstawia implementację elektronicznego statecznika dla świetlówek, które nie mogą być ściemniane. Jednostronne odprzęgnięcie obwodu wielkiej częstotliwości od wejścia sieciowego, za pomocą transformatora izolującego 64 wielkiej częstotliwości, zapobiega wprowadzaniu do sieci wielkiej częstotliwości. Transformator izolujący 64 składa się z dwóch identycznych uzwojeń, czyli zapewnia współczynnik transformacji 1:1. Takie środki pozwalają na rezygnację z umieszczania drogich kondensatorów odprzęgających w poprzek mostka prostownika złożonego z diod 31 - 34. Jedynie prąd zmienny małej częstotliwości jest podawany na mostek prostownika. Kondensator odprzęgający w ukł adzie wielkiej czę stotliwo ś ci może być pominię ty, ponieważ filtrowanie składowej stał ej napię cia jest przejęte przez kondensator 37 w układzie rezonatora. Prąd bierny dławika 63 jest prawie całkowicie kompensowany przez odpowiednie ustalenie wymiarów. Odcięcie wielkiej częstotliwości za pomocą transformatora 64 ogranicza zakłócenia sieci energetycznej wysokoczęstotliwościowym szumem, dlatego też można zastosować wyższe częstotliwości pracy układu scalonego 43 i wzmacniacza mocy złożonego z tranzystorów 38 i 40. Jak już zostało wspomniane, pozwala to na zastosowanie dławika o niskiej indukcyjności, a wskutek tego, o niewielkich wymiarach. Emisja wielkich częstotliwości jest utrzymywana na szczególnie niskim poziomie, w przypadku, gdy połączenie pomiędzy transformatorem 64 i spiralą grzejną, która nie jest podgrzewana w świetlówce 20 jest krótkie, czyli gdy urządzenie sterujące jest zamontowane blisko tej spirali grzejnej.

Wymieniony powyżej, wyłącznik bezpieczeństwa zrealizowany za pomocą zespołu elementów strukturalnych 6, został ulepszony do tego stopnia, że wzmacniacze mocy 38 i 40 nie zostaną zniszczone w przypadku, gdy świetlówka zawiedzie.

Claims (8)

1. Urządzenie sterujące do świetlówki posiadającej wbudowany element chłodzenia, za pomocą którego można kontrolować ciśnienie par rtęci wewnątrz świetlówki, poprzez podgrzewanie tego elementu, znamienne tym, że posiada:

- czujnik temperatury (15) mierzący temperaturę elementu chłodzenia lub temperaturę w okolicy elementu chłodzenia oraz

- podgrzewacz (11) spirali o mocy podgrzewacza spirali sterowanej w taki sposób, żeby temperatura świetlówki (12) pozostawała w optymalnym zakresie.

2. Urządzenie sterujące według zastrz. 1, znamienne tym, że czujnik temperatury (15) jest umieszczony w nasadce świetlówki (12) w pobliżu elementu chłodzenia.

3. Urządzenie sterujące według zastrz. 1, znamienne tym, że urządzenie sterujące jest stosowane w świetlówkach T5.

4. Urządzenie sterujące według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że świetlówka (12) zawiera generator wielkiej częstotliwości (3), wzmacniacz mocy (5) oraz modulator szerokości impulsu (4).

5. Urządzenie sterujące według zastrz. 4, znamienne tym, że zawiera kontroler napięcia zasilającego (7) generujący sygnał wyjściowy podawany do modulatora szerokości impulsu (4), sterujący

PL 204 319 B1 nim w taki sposób, że strumień światła generowany przez podłączoną do niego świetlówkę (12), będzie niezależny od poziomu napięcia zasilania.

6. Urządzenie sterujące według zastrz. 4 albo 5, znamienne tym, że zaopatrzone jest w stabilizator współczynnika ściemnienia (8), który ponadto generuje sygnał wyjściowy dla modulatora szerokości impulsu (4) tak, że strumień światła podłączonej świetlówki (12) będzie ściemniany zgodnie z wartością rezystora podłączonego do wejścia (16) ś ciemniacza lub napię ciem podanym na wejście (16) ściemniacza.

7. Urządzenie sterujące według zastrz. 6, znamienne tym, że zawiera regulator (10) podgrzewacza spirali, który odbiera sygnał wyjściowy z czujnika temperatury (15), żeby sterować mocą grzejną spirali grzejnej (13), przy czym do regulatora (10) podgrzewacza spirali podawany jest także sygnał ze stabilizatora współczynnika ściemnienia (8).

8. Urządzenie sterujące według zastrz. 1, znamienne tym, że posiada prostownik (2, 31, 32, 33, 34) oraz generator wielkiej częstotliwości (3), przy czym wyjście generatora wielkiej częstotliwości (3) jest połączone z transformatorem wielkiej częstotliwości (64), natomiast jedno wyprowadzenie uzwojenia wtórnego transformatora jest podłączone do końcówki jednej ze spiral grzejnych, a drugie wyprowadzenie uzwojenia wtórnego jest podłączone do końcówki drugiej spirali grzejnej świetlówki (12).