SK15962003A3 - Ballast device for fluorescent tubes comprising an integrated cooling point - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka elektronického prevádzkového zariadenia pre fluorescenčnú lampu so zabudovaným chladiacim miestom.

Doterajší stav techniky

V bežných fluorescenčných lampách tlak pár ortuti vzrastá exponenciálne, keď vzrastá teplota. Pri nízkych teplotách svetelný tok fluorescenčnej lampy najprv stúpa spolu so vzrastajúcim tlakom pár ortuti a vzrastajúcou teplotou, pretože keď stúpa tlak, stáva sa viac atómov ortuti dostupných na generovanie svetla. Pri vyšších teplotách a vyššom tlaku pár ortuti sa straty v dôsledku vlastnej absorpcie pri zvyšovaní teploty zvyšujú a v dôsledku toho svetelný tok klesá. Optimálna prevádzková teplota je niekde medzi tým.

Nové T5 fluorescenčné lampy, 14 až 35 W a 24 až 80 W, sú vybavené chladiacim miestom za žeraviacim vinutím, špecificky žeraviacim vinutím na zlisovanom konci fluorescenčnej lampy, v dôsledku čoho je možné kontrolovať tlak pár ortuti pomocou vyhrievania tohto vinutia a teda chladiaceho miesta.

T5 sú konštruované tak, aby dosiahli svoju optimálnu prevádzkovú teplotu 35 °C bez vyhrievania vinutia pri teplote prostredia vnútri lampy 25 °C. T5 fluorescenčné lampy sú konkrétne veľmi citlivé na zmeny teploty, keď reagujú veľkým znížením svetelného toku, ak sa neudržiava ich optimálna prevádzková teplota, inými slovami, ak tlak pár ortuti nie je optimálne nastavený. Prevádzková teplota sa udržiava, keď sa použijú T5 fluorescenčné lampy, ktoré zahrnujú modernejšie prevádzkové zariadenia neprispôsobené na tlmenie, ktoré sa tiež označujú ako elektronické záťaže (EVG - elektronische Vorschaltgeräte elektronické predradné prístroje).

Tlmenie fluorescenčných lámp spôsobuje pokles teploty fluorescenčnej lampy v dôsledku zníženého príkonu lampy. Pri 10 % maximálneho svetelného toku

-2teplota prostredia vo fluorescenčnej lampe, t. j. teplota vnútri lampy, klesne na približne 25 °C. To spôsobí ďalší pokles svetelného toku. Aby sme sa vyhli takémuto ďalšiemu zmenšeniu svetelného toku v dôsledku toho, že teplota nie je optimálna, niektoré formy tlmiteľných záťaží pôsobia tak, že vyhrievajú žeraviace vinutie fluorescenčnej lampy prúdom žeraviaceho vinutia, ktorý je nezávislý od tlmenia. V dôsledku toho elektrické stlmenie na 10 % pomocou modulácie šírky impulzov spôsobí, že svetelný tok tiež klesne na 10 % maximálneho svetelného toku. Pretože prúd žeravenia vinutia je nezávislý od tlmenia, netlmené lampy dosiahnu prevádzkové teploty okolo 45 °C. Ako sme už uviedli, straty vlastnou absorpciou sa zvyšujú, keď je prevádzková teplota príliš vysoká. Z tohto dôvodu sú maximálne hodnoty svetelného toku pri tomto type elektronickej záťaže horšie než hodnoty pre záťaž, ktorá nie je prispôsobená na tlmenie.

Preto sa na obídenie tejto nevýhody vyvinul typ elektronickej záťaže, ktorým sa príkon žeravenia vinutia nastaví v odpovedi na stupeň tlmenia a v závislosti od typu lampy.

Komerčne dostupná elektronická záťaž, či už je alebo nie je tlmená, na použitie s T5 lampami nemôže udržiavať optimálnu teplotu lampy pri rôznych teplotách okolia.

Cieľom tohto vynálezu je poskytnúť prevádzkové zariadenie, ktoré šetrí energiu.

Podstata vynálezu

Cieľ bol dosiahnutý prevádzkovým zariadením pre fluorescenčnú lampu so zabudovaným chladiacim miestom, pomocou ktorého sa dá kontrolovať tlak pár ortuti v nej vyhrievaním chladiaceho miesta, podstatou ktorého je, že teplota chladiaceho miesta alebo teplota v blízkosti chladiaceho miesta sa meria snímačom teploty a príkon žeravenia vinutia sa kontroluje tak, aby teplota lampy zostala v optimálnom rozsahu.

Vo výhodnom uskutočnení je snímač teploty je usporiadaný v čiapočke lampy v blízkosti chladiaceho miesta.

-3Výhodne je prevádzkové zariadenie podľa vynálezu vytvorené pre T5 fluorescenčné lampy.

Vo výhodnom uskutočnení sa fluorescenčná lampa prevádzkuje pri vysokej frekvencii, generovanej vysokofrekvenčným generátorom a výkonovým zosilňovačom, pričom je tiež vytvorený modulátor šírky impulzov na kontrolovanie šírky impulzov vysokej frekvencie a teda svetelného toku.

V ďalšom výhodnom uskutočnení je vytvorený ovládač napájacieho napätia, ktorý generuje výstupný signál, ktorý sa má dodať modulátoru šírky impulzov na jeho kontrolu tak, aby svetelný tok, generovaný fluorescenčnou lampou, ktorá je pripojená, bol nezávislý od úrovne napätia zdroja.

V ďalšom výhodnom uskutočnení prevádzkové zariadenie podľa vynálezu zahrnuje stabilizátor tlmiacich prvkov, ktorý tiež generuje výstupný signál pre modulátor šírky impulzov tak, že svetelný tok fluorescenčnej lampy, ktorá je pripojená, sa stlmí zodpovedajúco rezistoru, pripojenému na vstup regulátora alebo napätiu, privedenému na vstup regulátora.

V inom výhodnom uskutočnení v prevádzkovom zariadení podľa vynálezu je vytvorený regulátor žeravenia vinutia, ktorý dostane výstupný signál zo snímača teploty na kontrolovanie príkonu žeravenia vinutia pre žeraviace vinutie, pričom regulátor žeravenia vinutia ďalej dostáva signál zo stabilizátora tlmiacich prvkov.

Vo výhodnom uskutočnení prevádzkového zariadenie pre fluorescenčnú lampu, zahrnujúceho usmerňovač a vysokofrekvenčný generátor, sa výstupný signál z vysokofrekvenčného generátora privedie na vysokofrekvenčný transformátor, pričom jeden koniec sekundárneho vinutia vysokofrekvenčného transformátora je pripojený k svorke pre jedno žeraviace vinutie a druhý koniec sekundárneho vinutia je pripojený k svorke pre druhé žeraviace vinutie fluorescenčnej lampy.

Čo je výhodné pri meraní teploty na chladiacom mieste alebo teploty v blízkosti chladiaceho miesta, pričom sa vyhrieva vinutie na strane chladiaceho miesta tak, aby meraná teplota zostala konštantnou, je skutočnosť, že sa pritom udržiava optimálny tlak pár ortuti bez ohľadu na tlmenie lampy a na zmeny teploty okolia.

-4Najlepším a najspoľahlivejším spôsobom nastavenia optimálneho tlaku pár ortuti je merať teplotu pri hliníkovej čiapočke lampy nad chladiacim miestom, keďže toto je teplota, ktorá určuje tlak pár ortuti v lampe.

Riadenie, ktoré poskytuje vynález, výhodne nastavuje príslušnú maximálnu svetelnú účinnosť pri ľubovoľnej úrovni okolitej teploty a tlmenia v rámci možností, ktoré ponúkajú fyzikálne obmedzenia lampy.

Výhodné uskutočnenia opíšeme podrobnejšie ďalej s odkazom na priložené výkresy.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1 je bloková schéma prevádzkového zariadenia podľa tohto vynálezu, v ktorej vzťahová značka 1 znamená sieťový filter 2x L/C, vzťahová značka 2 znamená obvod usmerňovacieho mostíka, vzťahová značka 3 znamená integrovaný obvod HF generátora, vzťahová značka 4 znamená modulátor šírky impulzov, vzťahová značka 5 znamená FET výkonový zosilňovač, vzťahová značka 6 znamená zostavu konštrukčných komponentov na bezpečné vypínanie, kontrolu udržiavania napätia, vzťahová značka 7 znamená ovládač napájacieho napätia, vzťahová značka 8 znamená stabilizátor tlmiacich prvkov, vzťahová značka 9 znamená (9) nízkonapäťový zdroj, vzťahová značka 10 znamená regulátor žeravenia vinutia, vzťahová značka U znamená žeravenie vinutia, vzťahová značka 12 znamená T5 fluorescenčnú lampu, vzťahová značka 14 znamená žeraviace vinutie, vzťahová značka 15 znamená snímač teploty a vzťahová značka 16 znamená vstup regulátora alebo fotoelektrický článok (voliteľný).

Obr. 2 je schéma zapojenia prevádzkového zariadenia, zahrnujúca obvody pre konštrukčné komponenty prevádzkového zariadenia.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Obr. 1 znázorňuje prevádzkové zariadenie podľa tohto vynálezu. Výhodne riadi T5 fluorescenčnú lampu 12. Táto fluorescenčná lampa obsahuje žeraviace vinutia 13 a 14, pričom chladiace miesto je vytvorené za vinutím 13. Prevádzkové

-5zariadenie zahrnuje sieťový filter 1, mostíkový usmerňovači obvod 2, HF (vysokofrekvenčný) generátor 3, modulátor 4 šírky impulzov, FET výkonový zosilňovač 5, zostavu 6 konštrukčných komponentov na bezpečné vypínanie a riadenie udržiavania napätia, nízkonapäťový zdroj 9, regulátor 10 žeravenia vinutia, žeravenie H vinutia, stabilizátor 8 tlmiacich prvkov a snímač 15 teploty.

Ako je znázornené na obr. 2, sieťový filter i sa môže realizovať dvojitými tlmivkami 25 a 26, vybavenými jadrom, ako aj kondenzátormi 27 a 28. Naviac môžu byť v sieťovom filtri 1 vytvorené ďalšia tlmivka 24 a ďalší kondenzátor 2T Usmerňovači mostík 2 sa výhodne skladá zo štyroch diód 31, 32, 33 a 34. Na ďalšie potlačenie vysokofrekvenčného šumu pri zapínaní a vypínaní diód môžu byť vložené kondenzátory 29 a 30. Okrem toho usmerňovači mostíkový obvod 2 zahrnuje jeden alebo viaceré elektrolytické kondenzátory 35 a 36 na zníženie zvlnenia jednosmerného napätia. Vysokofrekvenčný generátor 3 sa realizuje integrovaným obvodom 43 v kombinácii s rezistormi 50 a 52, ako aj kondenzátormi 51 a 42.

V doterajšom stave techniky je známe, ako sa musí konštruovať modulátor 4 šírky impulzov. FET (field effect transistor - poľom riadený tranzistor) výkonový zosilňovač 5 sa výhodne skladá z FET 38 a 40. Naviac môžu byť zaradené rezistory 39 a 41 na ochranu integrovaného obvodu 43 pred prúdmi, ktoré sú príliš vysoké počas zapínania a vypínania FET 38 a 40. Naviac, FET výkonový zosilňovač 5 zahrnuje kondenzátor 37 na potlačenie jednosmernej zložky napätia a tlmivku 63 na dodanie impedanciou vyvolaného výstupného napätia fluorescenčnej lampe. Je nevyhnutné napájať fluorescenčnú lampu impedanciou vyvolaným napätím, pretože fluorescenčná lampa má negatívny diferenciálny odpor, v dôsledku čoho sa v typickom prevádzkovom rozsahu prúd zvyšuje napriek klesajúcemu napätiu. Dôvod na voľbu vysokej frekvencie je ten, že vinutia s nízkou indukčnosťou vyvolávajú dostatočnú reaktanciu, keď frekvencia vzrastá. V dôsledku toho sa konštrukčné rozmery tlmivky 63 stávajú menšími pre vyššie frekvencie. Jedna elektróda kondenzátora 37 je pripojená k obom FET, druhá k svorke tlmivky 63. Udržiavacie napätie 16 pre fluorescenčnú lampu sa môže zapojiť medzi druhú svorku tlmivky 63 a prevádzkové napätie FET výkonového zosilňovača.

-6Vo výhodnom uskutočnení je zostava 6 konštrukčných komponentov, ktorá sa stará o bezpečné vypínanie, ako aj o riadenie udržiavania napätia, realizovaná rezistormi 48, 58, 66, tyristorom 54, kondenzátormi 57 a 59. ako aj diódami 53, 55, 56 a 60. Najmä rezistor 66 spolu s diódami 53 a 55 zabezpečuje, aby sa prevádzkové zariadenie vyplo v prípade, že by napätie, dodávané systémom, bolo príliš vysoké a mohlo by zničiť prevádzkové zariadenie a/alebo fluorescenčnú lampu. Udržiavanie napätia sa monitoruje, konkrétne rezistormi 58, 61, 62, diódami 56, 60 a kondenzátormi 57 a 59.

Pokiaľ fluorescenčná lampa ešte nezhorela, výkonový zosilňovač generuje udržiavané napätie približne 800 V medzi dvoma vláknami fluorescenčnej lampy v dôsledku rezonančného obvodu, vytvoreného kondenzátormi snáď 37 a 65. ako aj vinutím 63. Pri zapálení fluorescenčnej lampy toto napätie klesne na nejakých 200 až 300 V v dôsledku utlmenia rezonančného obvodu fluorescenčnou lampou. Modulátor šírky impulzov a spolu s ním výkonový zosilňovač sa vypne riadením udržiavania napätia v zostave 6 konštrukčných komponentov v prípade, že zapaľovacie napätie nekleslo na 200 až 300 V v priebehu 0,5 až 1 sekundy po zapnutí udržiavania napätia, inými slovami, keď sa fluorescenčná lampa nezapálila.

V inom uskutočnení sa zapálenie fluorescenčnej lampy zistí meraním zvyškového prúdu výkonového tranzistora. Po zapálení sa tento prúd v časovom priemere zvýši. Na tento účel je výhodne rezistor pripojený medzi záporné napájacie napätie a kolektor tranzistora 40, a pokles napätia na tomto tranzistore sa privedie cez diódu 60 k riadeniu udržiavania napätia.

Ovládač 7 napájacieho napätia tiež ovplyvňuje modulátor šírky impulzov. Ovládač 7 napájacieho napätia mení moduláciu šírky impulzu tak, aby fluorescenčná lampa svietila s tým istým jasom bez ohľadu na kolísanie napájacieho napätia. To je užitočné najmä preto, lebo nominálne sieťové napätie v niektorých európskych krajinách a v USA sa mení medzi 220 a 240 V. Zvláštnosti, špecifické pre jednotlivé krajiny, sa teda kompenzujú ovládačom 7 napájacieho napätia.

Nízkonapäťový sieťový zdroj vytvára jednosmerné napätie 15 V pre stabilizátor 8 tlmiacich prvkov a regulátor 10 žeravenia vinutia. Na tlmenie fluorescenčnej lampy môže byť potenciometer alebo fotoelektrický článok napojený

-7na stabilizátor 8 tlmiacich prvkov cez vstup 16 regulátora. Stabilizátor 8 tlmiacich prvkov môže merať napätie alebo odpor na vstupe regulátora. Po zapnutí riadi regulátor 10 žeravenia vinutia žeravenie 11 vinutia takým spôsobom, že obe žeraviace vinutia 13 a 14 budú vyhrievané plným príkonom 0,3 až 0,5 sekundy predtým, než FET výkonový zosilňovač 5 privedie udržiavacie napätie na fluorescenčnú lampu.

Predhriatie žeraviaceho vlákna je známe ako takzvaný horúci štart. Horúce štartovanie znižuje opotrebenie žeraviacich vinutí 13 a 14. Prevádzková životnosť fluorescenčnej lampy bez štartov je približne 20 000 prevádzkových hodín. Časté studené štarty, inými slovami štarty bez predhriatia žeraviacich vinutí, -skracujú interval životnosti na približne 5 000 prevádzkových hodín.

Vo výhodnom uskutočnení sa vyhrieva len žeraviace vinutie 13. akonáhle sa fluorescenčná lampa naštartovala. Žeraviace vinutie 14 je úplne oddelené od žeravenia vinutia, takže žeravenie vinutia samotné nepredstavuje skratový obvod pre výkonový zosilňovač 5, keď výkonový zosilňovač dodáva udržiavacie napätie.

Problém skratovania výkonového zosilňovača žeravením vinutia sa dá ďalej zmenšiť, ak sa žeravenie vinutia vyhrieva striedavým prúdom a ak sa do žeravenia vinutia zaradí transformátor, zahrnujúci dve sekundárne vinutia, jedno pre každé žeraviace vinutie.

Po štarte sa žeraviaci príkon v žeraviacom vinutí riadi regulátorom W žeravenia vinutia takým spôsobom, aby teplota, meraná snímačom 15 teploty, zostala konštantnou. Na tento účel sa výstupný signál zo snímača teploty privedie na regulátor W žeravenia vinutia. Naviac regulátor žeravenia vinutia dostane kontrolný signál zo stabilizátora 8 tlmiacich prvkov. Tento signál ponúka zlepšenú kontrolu s prechodovými procesmi tlmenia. Ak sa tlmenie reguluje nahor a nadol náhle, snímač 15 teploty reaguje len s oneskorením na teplotu hliníkovej čiapočky, ktorá sa mení s príkonom lampy. Inými slovami, kontrola žeravenia vinutia môže byť ovplyvnená PID regulátorom, P = proporcionálny, I = integrálny, D = diferenciálny. Je to konkrétne diferenciálny podiel, ktorý sa počíta na základe signálu, získaného zo stabilizátora tlmiacich prvkov.

Naviac, stabilizátor tlmiacich prvkov ovplyvňuje modulátor šírky impulzov zodpovedajúco tlmeniu.

-8V ďalšom výhodnom uskutočnení sa počas prevádzky vyhrieva nielen žeraviace vinutie 13, ale tiež žeraviace vinutie 14, obe výhodne tým istým žeraviacim príkonom. S týmto uskutočnením sa teplota vo fluorescenčnej lampe a teda tlak pár ortuti udržiavajú v optimálnom rozsahu, najmä keď sú zmeny teploty okolia veľké.

V ďalšom výhodnom uskutočnení sa žeraviace vinutie 14 pri štarte nevyhrieva. Toto uskutočnenie ponúka úspory konštrukčných prvkov v žeravení vinutia a umožňuje elektrické pripojenie k žeraviacemu vinutiu 14. Toto uskutočnenie je výhodné najmä vtedy, keď sa fluorescenčná lampa zapína a vypína zriedka. Zodpovedajúci obvod je znázornený na obr. 2.

Obr. 2 znázorňuje uskutočnenie elektronickej záťaže pre fluorescenčné lampy, pričom táto záťaž sa nedá tlmiť. Jednostranné odpojenie vysokofrekvenčného obvodu od sieťového vstupu HF izolujúcim transformátorom 64 zabraňuje zaťaženiu siete vysokou frekvenciou. Izolujúci transformátor 64 zahrnuje dve identické vinutia, čím vytvára transformačný prevod 1:1. Tieto opatrenia umožňujú zaobísť sa bez drahých oddeľovacích kondenzátorov, premosťujúcich mostíkový usmerňovač, ktorý tvoria diódy 31 až 34. Na mostíkový usmerňovač sa nedostáva nič iné, len prúd nízkofrekvenčného zdroja striedavého prúdu. Oddeľovací kondenzátor vo vysokofrekvenčnom obvode sa môže vynechať, pretože jednosmernú zložku napätia zachytí kondenzátor 37 rezonančného obvodu. Jalová zložka prúdu tlmivky 63 sa takmer úplne vykompenzuje správnym dimenzovaním. Oddelenie vysokej frekvencie pomocou transformátora 64 znižuje kontamináciu siete vysokofrekvenčným šumom, takže integrovaný obvod 43 a výkonový zosilňovač, ktorý tvoria tranzistory 38 a 40, môžu využívať vyššie prevádzkové frekvencie. Ako sme už uviedli, to umožňuje použiť tlmivku s malou indukčnosťou a v dôsledku toho s malými rozmermi. Emisia vysokých frekvencií sa udrží zvlášť nízkou, ak sa vytvorí krátke spojenie medzi transformátorom 64 a žeraviacim vinutím, ktoré sa nevyhrieva vo fluorescenčnej lampe 20, inými slovami, ak je prevádzkové zariadenie namontované v blízkosti tohto žeraviaceho vinutia.

Bezpečné vypínanie pomocou vyššie uvedenej zostavy 6 konštrukčných komponentov sa zlepšilo do tej miery, že výkonové zosilňovače 38 a 40 sa nezničia, keď sa fluorescenčná lampa 20 pokazí.

Claims (8)

1. Prevádzkové zariadenie pre fluorescenčnú lampu (12) so zabudovaným chladiacim miestom, pomocou ktorého sa dá kontrolovať tlak pár ortuti v nej vyhrievaním chladiaceho miesta, vyznačujúce sa tým, že teplota chladiaceho miesta alebo teplota v blízkosti chladiaceho miesta sa meria snímačom (15) teploty a príkon žeravenia vinutia sa kontroluje tak, aby teplota lampy (12) zostala v optimálnom rozsahu.

2. Prevádzkové zariadenie podľa nároku 1,vyznačujúce sa tým, že snímač (15) teploty je usporiadaný v čiapočke lampy v blízkosti chladiaceho miesta.

3. Prevádzkové zariadenie podľa nároku 1,vyznačujúce sa tým, že prevádzkové zariadenie je vytvorené pre T5 fluorescenčné lampy.

4. Prevádzkové zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že fluorescenčná lampa je prevádzkovaná pri vysokej frekvencii, generovanej vysokofrekvenčným generátorom (3) a výkonovým zosilňovačom (5), pričom je tiež vytvorený modulátor (4) šírky impulzov na kontrolovanie šírky impulzov vysokej frekvencie a teda svetelného toku.

5. Prevádzkové zariadenie podľa nároku 4, vyznačujúce sa tým, že je vytvorený ovládač 7 napájacieho napätia, ktorý generuje výstupný signál, ktorý sa má dodať modulátoru (4) šírky impulzov na jeho kontrolu tak, aby svetelný tok, generovaný fluorescenčnou lampou (12), ktorá je pripojená, bol nezávislý od úrovne napätia zdroja.

6. Prevádzkové zariadenie podľa nároku 4 alebo 5, vyznačujúce sa t ý m, že zahrnuje stabilizátor (8) tlmiacich prvkov, ktorý tiež generuje výstupný signál pre modulátor (4) šírky impulzov tak, že svetelný tok fluorescenčnej lampy

- 10(12), ktorá je pripojená, sa stlmí zodpovedajúco rezistoru, pripojenému na vstup (16) regulátora alebo napätiu, privedenému na vstup (16) regulátora.

7. Prevádzkové zariadenie podľa nároku 6, vyznačujúce sa tým, že je d’alej vytvorený regulátor (10) žeravenia vinutia, ktorý dostane výstupný signál zo snímača (15) teploty na kontrolovanie príkonu žeravenia vinutia pre žeraviace vinutie (13), pričom regulátor (10) žeravenia vinutia ďalej dostáva signál zo stabilizátora (8) tlmiacich prvkov.

8. Prevádzkové zariadenie pre fluorescenčnú lampu, zahrnujúce:

- usmerňovač (2; 31,32, 33, 34) a

- vysokofrekvenčný generátor (3), vyznačujúce sa tým, že výstupný signál z vysokofrekvenčného generátora (3) sa privedie na vysokofrekvenčný transformátor (64), pričom jeden koniec sekundárneho vinutia vysokofrekvenčného transformátora je pripojený k svorke pre jedno žeraviace vinutie a druhý koniec sekundárneho vinutia je pripojený k svorke pre druhé žeraviace vinutie fluorescenčnej lampy.