Современная база электронных компонентов ЭПРА позволяет реализовать совмещение функций поджига и стабилизации разряда множеством других схемных решений. Интересно отметить, что почти все фирмы выпускают ЭПРА в вариантах холодного (“мгновенного”) и горячего (“щадящего”) зажигания ЛЛ. Если ЛЛ в течение суток включается не более 5 раз, то «холодное» зажигание не приводит к сколько-нибудь заметному снижению срока службы ламп. Очевидно, что поскольку “холодное” зажигание позволяет не только значительно упрощать схемы ЭПРА (и тем самым снижать их стоимость), но и экономить электроэнергию (примерно до 2 Вт ни каждой ЛЛ), то схемы с “холодным” зажиганием будут превалировать в будущем. Это подтверждается, в частности, тем обстоятельством, что одна из интересных и перспективных конструкций компактных ЛЛ – спиралевидная, изготавливается фирмами “Narva” (ФРГ), МЭЛЗ (Россия) и другими, с новым безопасным цоколем Н19, допускающим только “холодное” включение. Принципиальным недостатком “холодного” включения является невозможность регулирования светового потока ЛЛ.
В некоторых случаях [27] целесообразным является использование электронного балласта, когда ЛЛ запитывается постоянным током. Себестоимость таких балластов ниже, чем на переменном токе из-за более простых схемотехнических решений, а, следовательно, меньшего числа элементов (разумеется, при сохранении всех преимуществ и основных показателей, присущих электронным балластам). Следует отметить, что для достижения максимального потенциального срока службы ГРЛ, последние должны работать на переменном токе. Это делается для того, чтобы уровнять износ электродов во времени. В [28] отмечается, что при питании лампы постоянным током срок их эксплуатации снижается на 50% и составляет примерно 20000 часов. Однако при питании ЛЛ переменным током на срок эксплуатации оказывает определяющее влияние пик – фактор (отношение пикового тока к действующему значению тока), который лимитирует срок службы лампы также на уровне 20000 часов. Поэтому можно предположить, что срок эксплуатации ГРЛ, как при подключении к источнику постоянного тока, так и к источнику переменного тока приблизительно одинаков.
Кроме рассмотренных основных узлов, ЭПРА иногда содержит и другие. Например, в последние годы все большее количество ЭПРА снабжено схемой защиты от аварийных режимов (коротких замыканий в цепи нагрузки, длительной работы в напряженном пусковом режиме из-за неисправности лампы, напряжений на выходе инвертора при незажегшейся лампе или ее отсутствии, бросков сетевого напряжения и т.д.). Проще всего задача защиты от аварийных режимов решается с помощью так называемых “позисторов”, т.е. терморезисторов с большим положительным температурным коэффициентов сопротивления, включенным последовательно либо со всем ЭПРА, либо каким-нибудь из его функциональных узлов. Кроме такого “лобового” решения, часто применяются более или менее сложные устройства с датчиком тока, напряжения или температуры, автоматически отключающие ЭПРА при превышении соответствующим параметром своего заданного уровня.
Еще одним перспективным узлом ЭПРА могут быть устройства, позволяющие регулировать световой поток ЛЛ. Как известно [21], световой поток ЛЛ пропорционален среднему значению тока через лампу. Это среднее значение можно изменить несколькими путями: 1) изменением амплитуды выходного напряжения инвертора при неизменности его частоты, формы и параметров балласта; 2) изменением формы выходного напряжения инвертора при неизменности его частоты, амплитуды и параметров балласта; 3) изменением параметров балласта при неизменности выходных параметров инвертора; 4) изменением частоты выходного напряжения инвертора при неизменности прочих параметров;5) совокупностью изменения нескольких параметров. Для обеспечения стабильного горения при различных уровнях светового потока ЛЛ любым из перечисленных способов регулирования необходимо, чтобы эмиссия электронов из электродов лампы была достаточной для возникновения и поддержания разряда с заданным значением среднего тока. Это означает, что при изменении светового потока ЛЛ необходимо подогревать электроды так, чтобы, с одной стороны, их температура обеспечивала достаточную эмиссию электронов при минимальных токах разряда, а с другой стороны – чтобы не было перегрева электродов при максимальных токах. Таким образом, необходимо учитывать, что при работе ЛЛ в схемах с регулированием (с темнителями) возможно снижение срока их службы, если не предусмотрены специальные меры (ElectricReviy, Великобритания, 1986, № 16, С. 8).
На практике первый из указанных способов регулирования светового потока ЛЛ, несмотря на его очевидность, не используется. Как правило, регулирование светового потока требуется производить только в одну сторону - снижения. В номинальном режиме выходное напряжение инвертора распределяется между балластом и лампой примерно поровну. Для устойчивого горения лампы необходимо, чтобы падение напряжения на балласте было не менее 20% от суммарного напряжения. При этом напряжение на ЛЛ при изменении тока почти не изменяется (точнее – слабо растёт при уменьшении тока), поэтому выходное напряжение инвертора можно снижать лишь в очень небольших пределах (реально – меньше, чем в 2 раза), в результате чего диапазон регулирования светового потока ЛЛ при таком способе очень невелик.
Второй способ регулирования – за счёт изменения формы выходного напряжения – в настоящее время является наиболее распространённым. Созданы и выпускаются интегральные микросхемы, позволяющие изменять скважность (отношение длительности импульса к периоду следования импульсов) напряжения инверторов практически в любых пределах (так называемая “широтно-импульсная модуляция” или ШИМ). Некоторые фирмы, например американская фирма “InternationalRectifier”, выпускает такие микросхемы специально для использования в электронных балластах ЛЛ. За счет изменения формы тока (при дополнительном подкале электродов по мере снижения тока через лампу) реально достигается стократное регулирование светового потока ЛЛ.
Третий способ регулирования – путём изменения параметров балласта при неизменности выходных параметров инверторов – исторически появился раньше других. Здесь в качестве балласта используются дроссели переменной индуктивности. Обычно это двухобмоточные дроссели на замкнутых магнитных сердечниках, магнитная проницаемость которых изменяется в широких пределах (так называемые “магнитные усилители”). Пропуская через одну обмотку постоянный ток (ток управления), можно изменять магнитную проницаемость сердечника и, тем самым, индуктивность второй обмотки, которая и является собственно балластом. Для повышения чувствительности, т.е. для уменьшения тока управления, вводят положительную обратную связь, например, в виде диодов. Этот способ также позволяет изменять световой поток ЛЛ в довольно широких пределах (до 30 – 50 раз). В настоящие время такой способ регулирования применяется довольно редко, так как магнитные усилители являются достаточно габаритными и дорогими.
Регулирование светового потока за счет изменения частоты выходного напряжения инвертора при неизменности остальных параметров применяется реже второго и третьего способов, так как для достижения достаточно широкого диапазона регулирования требуется изменение частоты в широких пределах, что усложняет проблемы защиты от радиопомех, излучения ЛЛ, хотя технически реализация этого способа не вызывает затруднений.
7. Особенности электронных пускорегулирующих аппаратов для разрядных ламп высокого давления
Лампы высокого давления (ЛВД) обладают рядом особенностей, обусловленных физическими процессами в столбе разряда и вносящих определенную специфику в основные функции ПРА:
1. В пусковом режиме ПРА должен обеспечить напряжение, достаточное для надежного зажигания ламп. Анализ пускового режима резонансного контура с ЛВД при прямоугольном питающем напряжении показывает [26], что в точке полного резонанса напряжение холостого хода в 2 ÷ 9 раз превышает напряжение питания контура. Так, если использовать для питания резонансного контура инвертор, применяемый в схемах с ЛЛ, то надежное зажигание металлогалогенных ламп (МГЛ) проблематично и приводит к необходимости существенного (3÷4-кратного) запаса по допустимому току ключевых элементов ЭПРА по отношению к рабочему режиму, и, как следствие, к снижению надежности и большим тепловым потерям в режиме холостого хода. Наиболее ощутимо это становится при выходе лампы из строя или ее отсутствии, когда режим холостого хода существует продолжительное время.