PL210361B1 - Układ do zasilania lamp wyładowczych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do zasilania lamp wyładowczych stanowiący regulowane źródło zasilania lamp wyładowczych dużej mocy.

W istniejących układach zasilania lamp wyładowczych dużych mocy regulację i stabilizację emisji promieniowania lampy realizuje się na drodze przełączania elementów pasywnych, takich jak pojemności C lub indukcyjności L. W przypadku zastosowania falowników z szeregowym lub szeregowo-równoległym obwodem rezonansowym [Schwarz-Kiene P., Beying A.: „New Generation of High Power Electronic Ballasts”, IST Metz GmbH] regulacja emisji promieniowania lampy dokonuje się poprzez zmianę napięcia na wyjściu źródła zasilania. Wadą tych rozwiązań jest konieczność stosowania aktywnych układów zapłonu lampy, które włączane są na czas rozruchu lampy. W przypadku, gdy nie są odłączane w stanie pracy ustalonej lampy stanowią one pasożytnicze obciążenie układu oraz są źródłem przepięć i dużych odkształceń napięcia i prądu w obwodzie. Czynniki te w istotny sposób zmniejszają żywotność źródła zasilania oraz lamp wyładowczych.

Znany jest z opisu patentowego US nr 5 015 922 obwód zasilania dla gazowej lampy wyładowczej działającej ze źródłem zasilania prądem przemiennym zawierający dławik przetężeniowy, którego koniec połączony jest z lampą wyładowczą, a drugi koniec dławika i lampy wyładowczej jest przystosowany do podłączenia do źródła zasilania. Dodatkowo obwód zawiera transformator regulacyjny połączony równolegle do szeregowego portu dławika przetężeniowego i lampy wyładowczej, który posiada zaczep połączony z punktem połączenia dławika przetężeniowego oraz lampą wyładowczą poprzez połączenie szeregowe kondensatora i dławika pomocniczego. Reaktancja kondensatora jest około 1,3 do 2,5 razy większa od reaktancji dławika pomocniczego.

Układ według wynalazku zawierający źródło zasilania, obwód źródła prądowego, obwód mostka mocy, transformator i odbiornik, charakteryzuje się tym, że ma dodatkowo dwa obwody, obwód ochrony przepięciowej oraz obwód komutacyjny. Obwód ochrony przepięciowej usytuowany jest pomiędzy źródłem zasilania a obwodem komutacyjnym, zaś obwód komutacyjny usytuowany jest pomiędzy źródłem prądowym a obwodem mostka mocy. Obwód ochrony przepięciowej zawiera trzy diody, pierwszą, drugą i trzecią, cewkę indukcyjną i kondensator. Katoda trzeciej diody połączona jest równocześnie z pierwszym końcem cewki indukcyjnej oraz z pierwszym końcem kondensatora. Drugi koniec kondensatora przyłączony jest do anody drugiej diody i katody pierwszej diody, której anoda połączona jest z ujemnym biegunem źródła zasilania, natomiast katoda drugiej diody przyłączona jest do drugiego końca cewki indukcyjnej i do dodatniego bieguna źródła zasilania. Połączenie to pozwala uzyskać tak zwane „źródło pływające”.

Działanie tak powstałego obwodu polega na zamykaniu obwodu dla prądu wyjściowego źródła prądowego w sytuacji, gdy lampa się nie pali lub w przypadku awaryjnego działania mostka tranzystorowo-diodowego, na przykład na skutek wadliwego sterowania. Wówczas prąd wyjściowy przekształtnika U/J polaryzuje pierwszą diodę w kierunku przewodzenia i dalej płynie przez kondensator i drugą diodę. Domknięcie tak powstałej pętli prądowej stanowi wspólny punkt połączenia jednego bieguna źródła zasilania, źródła prądowego oraz katody drugiej diody. Ponieważ w stanie ustalonym napięcie na kondensatorze jest bliskie napięciu źródła zasilania Ud, stąd wartość chwilowa napięcia na wyjściu, przy odpowiednio dużej pojemności, wynosi około 2 · Ud. Po zaniku prądu pierwszej diody, część prądu płynącego przez cewkę indukcyjną polaryzuje w kierunku przewodzenia trzecią diodę, co prowadzi do zwrotu energii przepięcia do źródła zasilania.

Drugi dodatkowy obwód, obwód komutacyjny, zawierający element półprzewodnikowy, kondensator, cewkę indukcyjną i dwie diody, czwartą i piątą jest obwodem tak zwanego miękkiego przełączania pełnego mostka tranzystorowo-diodowego, gdy jest on zasilany ze źródła prądowego. Anoda czwartej diody i pierwszy koniec cewki indukcyjnej przyłączone są do pierwszego wyjścia źródła prądowego, a drugi koniec cewki indukcyjnej przyłączony jest jednocześnie do anody piątej diody oraz do pierwszego końca sterowanego elementu półprzewodnikowego, którego drugi koniec jest przyłączony z jednej strony do drugiego koń ca ź ródł a prą dowego, a z drugiej strony do drugiego koń ca kondensatora oraz do punktu wspólnego utworzonego przez połączenie drugich końców sterowanych dwóch elementów półprzewodnikowych obwodu mostka mocy, pierwszego i drugiego elementu półprzewodnikowego. Pierwsze końce pierwszego i drugiego elementu półprzewodnikowego łączą z jednej strony sterowany pierwszy element półprzewodnikowy z drugim końcem sterowanego trzeciego elementu półprzewodnikowego i pierwszym końcem uzwojenia transformatora, a z drugiej strony sterowany drugi element półprzewodnikowy z drugim końcem uzwojenia transformatora i z drugim końcem stePL 210 361 B1 rowanego czwartego elementu półprzewodnikowego obwodu mostka mocy. Pierwszy koniec sterowanego czwartego elementu półprzewodnikowego tworzy punkt wspólny z pierwszym końcem sterowanego trzeciego elementu półprzewodnikowego i równocześnie połączony jest z pierwszym końcem kondensatora obwodu komutacyjnego oraz z katodą piątej diody, katodą czwartej diody i anodą trzeciej diody obwodu ochrony przepięciowej.

Sterowanie tak powstałego obwodu polega na takim cyklicznym załączaniu na krótki okres czasu półprzewodnikowego elementu mocy, aby można było w stanie bezprądowym dokonać przełączenia elementów sterowanych pełnego mostka tranzystorowo-diodowego, co odpowiada tak zwanemu systemowi pracy ZCS. Natomiast równolegle przyłączony do wejścia mostka tranzystorowodiodowego kondensator spełnia dwie funkcje, pierwsza to ograniczenie stromości narastania napięcia impulsu zapłonowego. Druga, to ograniczenie strat wyłączeniowych tranzystora zwierającego źródło prądowe, gdyż wyłączenie tego tranzystora następuje w chwili, gdy napięcie kondensatora jest bliskie zeru.

Dzięki zastosowaniu w układzie dwóch nowych obwodów, układ według wynalazku pozwala pracować lampom przy wysokich napięciach. Odpowiedni dobór wartości elementów obwodu ochrony przepięciowej, stosownie do napięcia zapłonu i mocy lampy, pozwala uzyskać dużą stabilność amplitudy impulsu zapłonowego, co ma kluczowe znaczenie dla ochrony przepięciowej zastosowanych do budowy układu diod i tranzystorów i powoduje znaczący wzrost niezawodności pracy całego układu.

Układ według wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania i na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu, fig. 2 przedstawia schemat układu, w którym przykładowo jako sterowane elementy półprzewodnikowe zastosowano tranzystory IGBT z odwrotnierównolegle przyłączonymi diodami, fig. 3 przedstawia wykres napięcia i prądu w czasie pracy nominalnej układu, fig. 4 przedstawia wykres napięcia i prądu w czasie rozruchu lampy.

Układ składa się ze źródła zasilania 1, źródła prądowego 2, obwodu ochrony przepięciowej 3, obwodu komutacyjnego 4, obwodu mostka mocy 5, transformatora 6 i odbiornika 7. Obwód ochrony przepięciowej 3 usytuowany jest pomiędzy źródłem zasilania 1 a obwodem komutacyjnym 4, a obwód komutacyjny 4 usytuowany jest pomiędzy źródłem prądowym 2 a obwodem mostka mocy 5. Źródło prądowe 2 składa się z tranzystora 21, cewki 22 i diody 23; otrzymywane jest poprzez cykliczne załączanie i wyłączanie tranzystora 21. Emiter tego tranzystora oraz jeden koniec cewki 22 i katoda diody 23 tworzą punkt wspólny, natomiast anoda diody 23 połączona jest z biegunem ujemnym źródła zasilania 1 Ud. Takie połączenie pozwala uzyskać ciągły przepływ prądu, natomiast dla odpowiedniej wartości indukcyjności cewki 22 można otrzymać źródło o charakterze prądowym. Połączenie wyjścia tak utworzonego źródła prądowego 2 z ujemnym biegunem napięcia źródła zasilania 1 Ud poprzez szeregowo włączoną cewkę 43 oraz sterowany tranzystor 41 umożliwia jego cykliczne załączanie i wyłączanie.

Wartość indukcyjności cewki 43 dobiera się na podstawie jednego z wielu stosowanych kryteriów doboru parametrów ochrony termicznej tranzystora, na przykład kryterium minimalnych strat załączania tranzystora 41. Równolegle przyłączony do mostka 4T + 4D kondensator 42 spełnia dwie funkcje: po pierwsze poprawia własności komutacyjne tranzystora 41, po drugie ogranicza stromości narastania napięcia (du/dt) w układzie. Funkcja zwierania źródła prądu 2 umożliwia przełączanie tranzystorów obwodu mostka mocy 5 w stanie bezprądowym, co ma istotny wpływ na obniżenie strat komutacyjnych zasilacza, podobnie jak się dzieje przy zastosowaniu komutacji typu ZCS. Dodatkowo, zwieranie źródła 2 wykorzystuje się do modulacji prądu odbiornika metodą PWM jak przedstawiono na fig. 3.

Obwód ochrony przepięciowej 3 składa się z pierwszej diody 31, drugiej diody 32, cewki indukcyjnej 33, kondensatora 34 i trzeciej diody 35 i stanowi układ generacji i kontroli impulsów zapłonowych. Katoda trzeciej diody 35 połączona jest równocześnie z pierwszym końcem cewki indukcyjnej 33 oraz z pierwszym końcem kondensatora 34, którego drugi koniec przyłączony jest do anody diody 32 i katody pierwszej diody 31. Anoda pierwszej diody 31 połączona jest z ujemnym biegunem źródła zasilania 1. Katoda drugiej diody 32 przyłączona jest do drugiego końca cewki indukcyjnej 33 i do dodatniego bieguna źródła zasilania 1. Anoda czwartej diody 44 i pierwszy koniec cewki indukcyjnej 43 obwodu komutacyjnego 4 przyłączone są do pierwszego wyjścia źródła prądowego 2, a drugi koniec cewki indukcyjnej 43 przyłączony jest jednocześnie do anody piątej diody 45 oraz do pierwszego końca sterowanego tranzystora 41- Drugi koniec tranzystora 41 jest przyłączony z jednej strony do drugiego końca źródła prądowego 2, a z drugiej strony do drugiego końca kondensatora 42 oraz do punktu wspólnego utworzonego przez połączenie drugich końców sterowanych tranzystorów 51 i 52,

PL 210 361 B1 których pierwsze końce łączą z jednej strony sterowany tranzystor IGTB 51 z drugim końcem sterowanego tranzystora IGTB 53 i pierwszym końcem uzwojenia 55 transformatora 6, a z drugiej strony sterowany element półprzewodnikowy 52 z drugim końcem uzwojenia 55 transformatora 6 i z drugim końcem sterowanego tranzystora IGTB 54. Pierwszy koniec tranzystora IGTB 54 tworzy punkt wspólny z pierwszym końcem sterowanego elementu półprzewodnikowego 53 i równocześnie połączony jest z pierwszym końcem kondensatora 42 oraz z katodą diody 45, katodą diody 44 i anodą diody 35.

Działanie obwodu 3 polega na tym, że w stanie ustalonym kondensator 34 jest naładowany do napięcia praktycznie równemu napięciu Ud źródła zasilania 1. W stanie pracy rozruchu lampy wyładowczej każde przełączenie źródła prądowego 2 prowadzi do wygenerowania impulsu zapłonowego, którego wartość osiągnąć może najwyżej podwójne napięcie zasilania Ud. Spowodowane jest to tym, że część prądu źródła prądowego, która nie zamyka się przez obciążenie i płynie przez diodę 35, a następnie dzieli się na dwie składowe: indukcyjną, która płynie przez cewkę 33 oraz pojemnościową, która płynie przez kondensator 34 i diodę 32 powoduje, że do napięcia źródła dodaje się napięcie kondensatora 34, przez co powstaje szeregowe połączenie dwóch źródeł każde o napięciu Ud. W ten sposób powstaje nowe źródło napięciowe o małej impedancji wewnętrznej oraz następuje generacja impulsu napięcia o wartości 2 · Ud, jak to pokazuje fig. 4. Czas trwania tego impulsu reguluje się poprzez sterowanie tranzystorem 41 lub zależy od procesów zapłonowych zachodzących w lampie wyładowczej, które powodują efekt przełączania impulsu zapłonowego. W chwili zapłonu lampy wyładowczej napięcie wyjściowe źródła spada do wartości określonej przez iloczyn wysterowanego prądu źródła 2 i rezystancji lampy w stanie przewodzenia przetransformowanej na stronę pierwotną transformatora 6.

Claims (1)

1. Układ do zasilania lamp wyładowczych zawierający źródło zasilania, obwód źródła prądowego, obwód mostka mocy, transformator i odbiornik, znamienny tym, że ma obwód ochrony przepięciowej (3) składający się z pierwszej diody (31), drugiej diody (32), cewki indukcyjnej (33), kondensatora (34) i trzeciej diody (35) oraz obwód komutacyjny (4) zawierający tranzystor (41), kondensator (42), cewkę (43) i czwartą i piątą diodę (44, 45), przy czym katoda trzeciej diody (35) połączona jest równocześnie z pierwszym końcem cewki indukcyjnej (33) oraz z pierwszym końcem kondensatora (34), którego drugi koniec przyłączony jest do anody drugiej diody (32) i katody pierwszej diody (31), której anoda połączona jest z ujemnym biegunem źródła zasilania (1), natomiast katoda drugiej diody (32) przyłączona jest do drugiego końca cewki indukcyjnej (33) i do dodatniego bieguna źródła zasilania (1), zaś anoda czwartej diody (44) i pierwszy koniec cewki indukcyjnej (43) przyłączone są do pierwszego wyjścia źródła prądowego (2), a drugi koniec cewki indukcyjnej (43) przyłączony jest jednocześnie do anody piątej diody (45) oraz do pierwszego końca sterowanego elementu półprzewodnikowego (41), którego drugi koniec jest przyłączony z jednej strony do drugiego końca źródła prądowego (2), a z drugiej strony do drugiego końca kondensatora (42) oraz do punktu wspólnego utworzonego przez połączenie drugich końców sterowanych elementów półprzewodnikowych (51) i (52), których pierwsze końce łączą z jednej strony sterowany element półprzewodnikowy (51) z drugim końcem sterowanego elementu półprzewodnikowego (53) i pierwszym końcem uzwojenia (55) transformatora (6), a z drugiej strony sterowany element półprzewodnikowy (52) z drugim końcem uzwojenia (55) transformatora (6) i z drugim końcem sterowanego elementu półprzewodnikowego (54), którego pierwszy koniec tworzy punkt wspólny z pierwszym końcem sterowanego elementu półprzewodnikowego (53) i równocześnie połączony jest z pierwszym końcem kondensatora (42) oraz z katodą piątej diody (45), katodą czwartej diody (44) i anodą trzeciej diody (35).