Цепи включения люминесцентных ламп

Люминесцентная лампа — газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов. Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения, при этом их световая отдача в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же назначения. Срок службы люминесцентных ламп может до 20 раз превышать срок службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу коммутаций, в противном случае они быстро выходят из строя. Наиболее распространённой разновидностью подобных источников является ртутная люминесцентная лампа низкого давления. Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора.

При работе люминесцентной лампы между двумя электродами находящимися в противоположных концах лампы возникает тлеющий электрический разряд. Лампа заполнена парами ртути и проходящий ток приводит к появлению ультрафиолетового излучения.  Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом — люминофором, которое поглощает ультрафиолетовое излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора можно менять оттенок свечения лампы.

С точки зрения электротехники люминесцентная лампа — устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением (чем больший ток через неё проходит - тем меньше её сопротивление, и тем меньше падение напряжения на ней). Поэтому при непосредственном подключении к электрической сети лампа очень быстро выйдет из строя из-за огромного тока, проходящего через неё. Чтобы предотвратить это, лампы подключают через специальное устройство (балласт).

В простейшем случае это может быть обычный резистор, однако в таком балласте теряется значительное количество энергии. Чтобы избежать этих потерь при питании ламп от сети переменного тока в качестве балласта должно применяться реактивное сопротивление (конденсатор или катушка индуктивности).

В настоящее время наибольшее распространение получили два типа балластов - электромагнитный и электронный.

Электромагнитный балласт представляет собой индуктивное сопротивление (дроссель) подключаемое последовательно с лампой. Для запуска лампы с таким типом балласта требуется также стартер. Преимуществами такого типа балласта является его простота и дешевизна. Недостатки - мерцание ламп с удвоенной частотой сетевого напряжения, что повышает утомляемость и может негативно сказываться на зрении, относительно долгий запуск (обычно 1…3 с, время увеличивается по мере износа лампы), большее потребление энергии по сравнению с электронным балластом. Дроссель также может издавать низкочастотный гул.

Помимо вышеперечисленных недостатков, можно отметить ещё один. При наблюдении предмета вращающегося или колеблющегося с частотой равной или кратной частоте мерцания люминесцентных ламп с электромагнитным балластом такие предметы будут казаться неподвижными из-за эффекта стробирования. Например этот эффект может затронуть шпиндель токарного или сверлильного станка, циркулярную пилу, мешалку кухонного миксера, блок ножей вибрационной электробритвы.

Во избежание травматизма на производстве запрещено использовать люминесцентные лампы с электромагнитным балластом для освещения движущихся частей станков и механизмов без дополнительной подсветки лампами накаливания.

Электронный балласт представляет собой электронную схему, преобразующую сетевое напряжение в высокочастотный (20…60 кГц) переменный ток, который и питает лампу. Преимуществами такого балласта являются отсутствие мерцания и гула, более компактные размеры и меньшая масса, по сравнению с электромагнитным балластом. При использовании электронного балласта возможно добиться мгновенного запуска лампы (холодный старт), однако такой режим неблагоприятно сказывается на сроке службы лампы, поэтому применяется и схема с предварительным прогревом электродов в течение 0,5…1 с (горячий старт). Лампа при этом зажигается с задержкой, однако этот режим позволяет увеличить срок службы лампы.

3.2.1 Механизм запуска люминесцентных ламп с электромагнитным балластом

В классической схеме включения с электромагнитным балластом для автоматического регулирования процесса зажигания лампы применяется пускатель (стартер), представляющий собой миниатюрную газоразрядную лампочку с неоновым наполнением и двумя металлическими электродами. Один электрод пускателя неподвижный жёсткий, другой — биметаллический, изгибающийся при нагреве. В исходном состоянии электроды пускателя разомкнуты. Пускатель включается параллельно лампе.

В момент включения к электродам лампы и пускателя прикладывается полное напряжение сети, так как ток через лампу отсутствует и падение напряжения на дросселе равно нулю. Электроды лампы холодные и напряжение сети недостаточно для её зажигания. Но в пускателе от приложенного напряжения возникает разряд, в результате которого ток проходит через электроды лампы и пускателя. Ток разряда мал для разогрева электродов лампы, но достаточен для электродов, пускателя, отчего биметаллическая пластинка, нагреваясь, изгибается и замыкается с жёстким электродом. Ток в общей цепи возрастает и разогревает электроды лампы. В следующий момент электроды пускателя остывают и размыкаются. Мгновенный разрыв цепи тока вызывает мгновенный пик напряжения на дросселе что и вызывает зажигание лампы, это явление основано на самоиндукции. Параллельно стартеру можно подключить миниатюрный конденсатор небольшой емкости, служащий для уменьшения создаваемых радиопомех. Кроме того, он оказывает влияние на характер переходных процессов в стартере так, что способствует зажиганию лампы. К моменту размыкания стартера электроды лампы уже достаточно разогреты. Разряд в лампе возникает сначала в среде аргона, а затем, после испарения ртути, приобретает вид ртутного. В процессе горения напряжение на лампе и пускателе составляет около половины сетевого за счёт падения напряжения на дросселе, что устраняет повторное срабатывание пускателя. В процессе зажигания лампы пускатель иногда срабатывает несколько раз подряд вследствие отклонений во взаимосвязанных между собой характеристиках пускателя и лампы. В некоторых случаях при изменении характеристик пускателя и (или) лампы возможно возникновение ситуации, когда стартер начинает срабатывать циклически. Это вызывает характерный эффект, когда лампа периодически вспыхивает и гаснет, при погасании лампы видно свечение катодов, накаленных током, протекающим через сработавший стартер.

3.2.2 Механизм запуска лампы с электронным балластом

В отличие от электромагнитного балласта для работы электронного балласта зачастую не требуется отдельный специальный стартер, т.к. такой балласт в общем случае сам способен сформировать необходимые последовательности напряжений. Существуют разные технологии запуска люминесцентных ламп электронными балластами. В наиболее типичном случае электронный балласт подогревает катоды ламп и прикладывает к катодам напряжение, достаточное для зажигания лампы, чаще всего - переменное и высокочастотное (что заодно устраняет мерцание лампы, характерное для электромагнитных балластов). В зависимости от конструкции балласта и временных параметров последовательности запуска лампы такие балласты могут обеспечивать, например, плавный запуск лампы с постепенным нарастанием яркости до полной за несколько секунд или же мгновенное включение лампы. Часто встречаются комбинированные методы запуска, когда лампа запускается не только за счет факта подогрева катодов лампы, но и за счет того, что цепь, в которую включена лампа, является колебательным контуром. Параметры колебательного контура подбираются так, чтобы при отсутствии разряда в лампе в контуре возникает явление электрического резонанса, ведущее к значительному повышению напряжения между катодами лампы. Как правило, это ведет и к росту тока подогрева катодов, поскольку при такой схеме запуска спирали накала катодов нередко соединены последовательно через конденсатор, являясь частью колебательного контура. В результате за счет подогрева катодов и относительно высокого напряжения между катодами лампа легко зажигается. После зажигания лампы параметры колебательного контура изменяются, резонанс прекращается и напряжение в контуре значительно падает, сокращая ток накала катодов.

Ссылка на рисунок 1.3

Рисунок 1.3 Схема включения люминесцентной лампы через электронный балласт и дроссель

При включении выключателя SA3 ток протекает по электродам через стартер S1. Между электродами стартера подвижным и неподвижным возникает тлеющий разряд. Биметаллический электрод в стартере, нагреваясь, изгибается и касается неподвижного электрода, замыкая цепь. Через электроды люминесцентной лампы проходит ток, нагревая нить до 1000 °С. В лампе появляются свободные электроны, сопротивление лампы уменьшается. В стартере после замыкания контактов происходит охлаждение контактов. Биметаллическая пластина выпрямляется и разрывает цепь тока. Возникающий импульс напряжения 400…500 В зажигает лампу EL4. В момент, когда ток протекал по статору S1, по дросселю LL2 и по контактам лампы дроссель накопил энергию. Дроссель в момент отключения за счет ЭДС самоиндукции дросселя повышает пусковое напряжение. Дроссель LL2 рассчитан на мощность одной лампы. Для подключения одной лампы используется стартер напряжением 220В.

При включении выключателя SA4 происходит включение лампы EL5 через электронный балласт DL2. Ссылка на рисунок 1.4

Рисунок 1.4 Схема включения двух люминесцентных ламп через дроссель

При включении выключателя SA5 происходит включение двух ламп EL4, EL5 через общий дроссель LL1, рассчитанный на мощность двух ламп. При последовательном соединении двух люминесцентных ламп применяются стартеры напряжением 127 В.

Рисунок 1.5 Схема включения двух люминесцентных ламп через

электронный балласт

При включении выключателя SA2 происходит включение двух ламп EL4, EL5 с помощью общего электронного балласта DL1, рассчитанный на мощность двух ламп.

Цепи управления освещением

Регулирование освещённости можно определить как действия по увеличению или уменьшению этой самой величины плавным или ступенчатым способом, с целью придания ей желаемого значения (произвольного или заданного заранее). Причём увеличение или уменьшение производится в произвольной или заранее заданный момент, а желаемое значение устанавливается на произвольный или заранее заданный период. Если производится увеличение от исходного нулевого до желаемого положительного значения, то эта операция называется включением. Уменьшение же существующего положительного значения до нуля - называется выключением. Такое обобщённое определение приведено специально, чтобы показать широкие возможности современных приборов регулирования света. Регулирование освещённости производится посредством регулирования электрического напряжения, подаваемого на источник света. Для регулирования подачи напряжения применяются: светорегуляторы, выключатели, переключатели, прерыватели и штепсельные розетки.

В жилых помещениях, широко применяются выключатели механического типа: клавишные, кнопочные, рычажные, ползунковые, поворотные, натяжные. Все перечисленные выключатели работают по принципу замыкания - размыкания механического контакта. Они могут быть установлены на корпусе светильника, на проводе электропитания, или на стене комнаты и обеспечивать большую часть потребностей, возникающих при работе с разным электрооборудованием и осветительными приборами. Однако современная техника создала ряд устройств, открывающих в этой области ряд новых интересных возможностей.

Сенсорный выключатель - светорегулятор. Этот аппарат позволяет включать и выключать светильник и регулировать освещённость путём прикосновения к сенсорному контактному датчику. Кратковременное прикосновение включает или выключает осветительный прибор, а длительное прикосновение позволяет плавно увеличивать или уменьшать освещённость. Таким способом очень удобно регулировать работу светильников снабжённых лампами накаливания или галогенными лампами с рабочим напряжением 220 В. Такие выключатели обладают функцией памяти (запоминания определённого заданного уровня освещённости) и при всех дальнейших включениях освещение будет соответствовать заданному выключателем параметру.

Поворотный регулятор освещённости - диммер - позволяет включать свет, с плавной регулировкой повышения подачи напряжения на лампы светильника и выключать, с плавным понижением подачи напряжения. Управление осуществляется путём поворота головки регулятора.

Выключатели, снабжённые датчиками движения, включают и выключают свет, когда в "зону обзора" датчика попадает (или зону обзора покидает) движущийся объект. Эти аппараты часто используются в проходных помещениях (лестницы жилых домов, прихожие) в целях экономии электроэнергии, т.к. можно задать необходимую длительность включения освещения.

На рисунке 1.6 приведена схема с тремя различными устройствами для регулирования освещенности.

Рисунок 1.6 Цепь управления освещением с применением различных

устройств регулирования освещенности

При нажатии на кнопку SB1 происходит включение лампы EL2. По истечению некоторого установленного времени лампа гаснет. Лампу EL2 можно включить любым числом кнопок из разных мест, что особенно удобно для длинных коридоров. При этом кнопки следует включать параллельно.

Лампу EL3 можно включать и выключать из двух мест с помощью двух проходных переключателей SA1 и SA2.

Для включения/выключения лампы EL1, а также для плавного регулирования ее светимости применен светорегулятор R. Плавное включение лампы накаливания помогает продлить срок ее службы. В холодной лампе у нити накала ток включения в 12…16 раз больше номинального. В спирали нити накала возникают динамические перегрузки, витки спирали, сближаясь, замыкаются и лампы перегорают. Поэтому очень важно напряжение на лампы подавать и снимать постепенно или ступенями, при этом срок их службы возрастает в 3…4 раза.

Порядок выполнения работы

4.1 Ознакомиться со стендом лабораторной установки. Изучить конструктивные особенности и паспортные данные установленного электро­оборудования.

4.2 Собрать схему, изображённую на рисунках 3.1, 3.2, 3.3, с разрешения преподавателя или учебного мастера подать напряжение на схемы.

4.3  Убедиться в правильности работы устройств.

4.7 Оформить отчёт по работе согласно требованиям [11].

Содержание отчета

Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

- цель работы;

- паспортные данные электрооборудования и приборов;

- электрические принципиальные схемы лабораторной установки и их описа­ние;

- выводы по работе, в которых следует привести сравнительную характеристику различных видов ламп и способов их включения.

Вопросы для самоконтроля

6.1 Перечислить виды источников света и дать им сравнительную характеристику.

6.2 Пояснить принцип действия люминесцентных ламп.

6.3 Дать сравнительную характеристику схемам включения люминесцентных ламп с электромагнитным и электронным балластами.

6.4 Пояснить принцип действия электромагнитного балласта.

6.5 Дать характеристику и назвать область применения диммера, сенсорного выключателя.

Лабораторная работа №2