Пра - друге серце світильника - домашнє радіо

ПРА - друге серце світильника

Як відомо, «серцем» світильника є джерело світла або просто лампа. Всі широко застосовуються в даний час джерела світла діляться на два класи: теплові і газорозрядні. У теплових джерелах світло створюється за рахунок нагріву тіла розжарення (спіралі з тугоплавкого металу - вольфраму) протікає через нього струмом. У газорозрядних джерелах світло створюється електричним розрядом між двома електродами.
Теплові джерела світла - це знайомі всім лампи розжарювання. Вони включаються в мережу безпосередньо, тобто не вимагають для своєї роботи будь-яких спеціальних пристроїв (лампа просто угвинчується або вставляється в патрон, до якого приєднані дроти електричної мережі).
На відміну від теплових, газорозрядні джерела світла не можуть включатися в мережу безпосередньо, а вимагають для своєї нормальної роботи включення тільки зі спеціальною апаратурою, що забезпечує їх запалювання і горіння. Це пов'язано з фізикою газового розряду. Якщо у переважної більшості приймачів електричної енергії при збільшенні подається на них напруги збільшується і протікає через них струм, то все газорозрядні джерела світла мають так звану «падаючу» вольтамперних характеристику.
Це означає, що з ростом струму через таке джерело напруження на ньому не росте, а зменшується. За рахунок цього струм розряду, якщо його не обмежувати, буде лавиноподібно зростати до тих пір, поки не вийде з ладу один з трьох ланок будь електричного кола: джерело енергії, приймач або дроти, що сполучають джерело і приймач енергії. Крім того, для виникнення розряду (запалювання) потрібна напруга, в кілька разів перевищує напруга підтримки розряду (горіння).
Ці дві особливості фізики газового розряду роблять можливим включення газорозрядних джерел світла тільки спільно з такими пристроями, які, з одного боку, забезпечують подачу напруги, достатнього для виникнення розряду (тобто для запалювання лампи), і, з іншого боку, обмежують струм розряду на рівні, необхідному для нормальної роботи лампи. Такі пристрої в російськомовній технічній літературі отримали назву «пускорегулюючі апарати» (ПРА). Так як робота газорозрядних джерел світла без таких пристроїв неможлива, ми вирішили назвати ПРА «другим серцем світильника».
В принципі назва «пускорегулюючі апарати» некоректно, тому що такі пристрої не регулюють, а тільки обмежують струм лампи. Однак не будемо ламати списи з цього приводу і далі будемо користуватися загальноприйнятою абревіатурою «ПРА».

Як зрозуміло з сказаного, ПРА повинні забезпечувати запалювання ламп і обмежувати струм через них на необхідному рівні. Очевидно, що для обмеження струму досить послідовно з лампою включити якусь іншу навантаження, падіння напруги на якій при нормальній роботі (при «номінальному струмі») лампи в сумі з напругою на лампі буде дорівнює напрузі живильної електричної мережі. Оскільки потужність в такий додаткового навантаження витрачається даремно, це навантаження є баластом, тобто марним споживачем. Тому одна з вимог до такого навантаження - знизити до межі споживану їй «балластную» потужність.
При роботі ламп від мереж змінного струму баластних навантаження може бути активною, індуктивного або ємнісний; в мережах постійного струму навантаження може бути тільки активною. Теоретично в індуктивної або ємнісний навантаженні втрати потужності відсутні, тому на практиці застосовуються тільки такі види баластів. Через особливості електричного розряду, що далеко виходять за рамки цього огляду, ємнісні баласти непридатні при роботі ламп на частотах нижче 1000 Гц, тому реально використовуються тільки електромагнітні або (набагато рідше) індуктивно-ємнісні баласти.
На практиці індуктивний баласт - це котушка, намотана ізольованим проводом на осерді з матеріалу з високою магнітною проникністю (наприклад, з електротехнічної сталі). Така котушка називається дроселем. Хоча теоретично в дроселях не повинно бути втрат потужності, практично досягти цього не вдається, і втрати в них складають від 10 до 100% від потужності працюючих з ними ламп.
Якщо завдання обмеження струму через газорозрядну лампу вирішується для всіх типів ламп простим включенням її послідовно з баластної навантаженням, то проблема запалювання ламп є більш складною і вирішується по різному для різних типів ламп.
У газорозрядних лампах низького тиску, до яких відносяться всі люмінесцентні лампи, напруга запалювання перевищує напруга горіння в кілька разів і при гарячих електродах становить від 400 до 1000 вольт. При холодних електродах це напруга може бути значно вище.
Найпростішим способом отримання таких напружень при одночасному прогріванні електродів є включення паралельно лампі і послідовно з її електродами так званих стартер.
Стартер - це теж газорозрядне прилад, у якого один з електродів зроблений з біметалічною пластинки, тобто пластинки, що складається з двох металів з різними коефіцієнтами теплового розширення. Напруга запалювання стартера має бути нижче напруги мережі і вище напруги горіння лампи.
При включенні лампи в стартер виникає розряд, і струм йде по колу: дросель - лівий електрод лампи - стартер - правий електрод лампи. За рахунок цього струму розігріваються електроди лампи і стартера. При нагріванні біметалічного електрода стартера він починає випрямлятися і в якийсь момент замикається з іншим електродом. Після замикання електроди стартера починають остигати і приймати вихідну форму. У момент розмикання на дроселі виникає імпульс напруги, достатнього в сумі з напругою мережі для запалювання розряду в лампі. Так як напруга горіння лампи нижче напруги запалювання стартера, повторне виникнення розряду в стартер не повинно відбуватися.
Сукупність дроселя і стартера називається електромагнітним ПРА. Не можна називати «пускорегулюючим апаратом» один дросель, так як він не забезпечує «пуску», тобто запалювання ламп, і нічого не регулює.
Схема, виключно проста і до середини 90-х років минулого століття була монопольної, тобто застосовувалася у всіх світильниках з люмінесцентними лампами. Однак цій схемі притаманний один принциповий недолік: оскільки величина напруги, що виникає на дроселі, прямо пропорційна току через дросель, а момент розриву контактів стартера не пов'язані з фазою струму, то досить часто розрив відбувається при малих токах і виникає на дроселі напруги недостатньо для запалювання в лампі стійкого розряду. В результаті лампа починає блимати - це явище всім добре знайоме.
У лампах високого тиску, до яких відносяться металогалогенні і натрієві лампи, напруга запалювання становить 3 - 5 кВ і вище. У цих ламп немає прогріваються електродів, тобто запалення ламп завжди відбувається при холодних електродах. Для таких ламп використання стартера і схеми, зображеної на рис. 1, неможливо, тому для запалювання використовуються спеціальні імпульсні запалюючі пристрої, що працюють тільки при включенні ламп і забезпечують подачу на них необхідного напруги. Іноді для полегшення запалювання в лампах високого тиску робиться спеціальний «підпалює» електрод, на який і подається висока підпалюють напруга.
Як і у будь-якого органу, у «другого серця світильника» можуть бути певні вади. Якими ж пороками воно страждає?
1. Досить великі втрати потужності: в ПРА для малопотужних люмінесцентних ламп ці втрати співмірні з потужністю самих ламп.
2. На промисловій частоті струму (50 Гц) світловий потік пульсує з частотою 100 Гц. Око не помічає цих пульсацій, але через підсвідомість вони негативно впливають на наш організм. Крім того, пульсації світлового потоку створюють так званий «стробоскопічний ефект», коли предмети, що обертаються з частотою пульсацій або кратної їй, здаються нерухомими. Це може призводити до травматизму в цехах, оснащених верстатами з такою частотою обертання оброблюваних деталей чи інструментів.

Люмінесцентні лампи часто блимають при включенні.
Апаратура пускорегулююча електронна має досить значні габарити і масу.
Світловий потік ламп не піддається управлінню, що дещо обмежує можливості створення комфортних освітлювальних установок.
Часто дроселі «гудуть», тобто створюють неприємний звук з частотою 100 Гц.

Для лікування цих вад стосовно люмінесцентним лампам найбільш радикальним засобом виявилося харчування ламп струмом підвищеної частоти. Для цього в якості баласту послідовно з лампою включають складний електронний пристрій, що перетворює напругу мережі в іншу напругу з частотою, як правило, кілька десятків кГц і одночасно забезпечує запалювання ламп. Такі пристрої отримали назву «електронні пускорегулюючі апарати» (скорочено ЕПРА).
Перші ЕПРА з'явилися ще в 60-х роках минулого століття, проте їх тріумфальний хід почалося тільки в кінці 80-х - початку 90-х років. В даний час в ряді країн (Швеція, Швейцарія, Голландія, Австрія) обсяг виробництва ЕПРА порівняємо з об'ємом виробництва електромагнітних апаратів.
Чим же так гарні ЕПРА, що, незважаючи на складність і відносно високу вартість, вони стрімко витісняють колишні апарати?
У порівнянні з електромагнітними ПРА електронні апарати мають наступні незаперечні переваги:

при рівних світлових потоках знижується енергоспоживання комплекту лампа-ПРА на 20-25%, а для ламп малої потужності навіть до 50%;
до півтора разів збільшується термін служби ламп;
виключаються пульсації світлового потоку і викликаний ними стробоскопічний ефект;
зменшується маса апаратів і витрата вкрай дефіцитних матеріалів - міді та електротехнічної сталі;
запалювання ламп відбувається без спалахів;
виключається гудіння апаратів;
виключається застосування стартер;
з'являється можливість регулювання світлового потоку ламп і за рахунок цього додаткова економія електроенергії;
коефіцієнт потужності (аналог відомого cos j) збільшується до 1, що виключає необхідність застосування компенсуючих конденсаторів і знижує струмовий навантаження проводів;
знижується спад світлового потоку ламп протягом їх терміну служби.

Крім того, з впровадженням ЕПРА з'явилася можливість створення систем управління освітленням в приміщеннях, які забезпечують найбільшу економію електроенергії і максимальний комфорт.

Ціна електронного «другого серця» світильника в даний час в 5 - 10 разів вище, ніж електромагнітного ПРА і стартера. Однак цей (тимчасовий!) Недолік ЕПРА окупається за рахунок економії електроенергії та збільшення терміну служби ламп. Фахівці найбільших світлотехнічних фірм (Osram, Philips, Motorola та ін.) Вважали, що при нинішньому рівні цін електроенергії та апаратів термін окупності ЕПРА становить від 1 до 2, 5 років в залежності від часу роботи ламп.
В даний час в світі виробляється до 300 млн. Шт. ЕПРА в рік, причому близько половини цієї кількості - в складі так званих інтегрованих компактних люмінесцентних ламп, призначених для прямої заміни звичних ламп розжарювання без застосування будь-якої додаткової апаратури. Конструкції ЕПРА вельми різноманітні
Що стосується розрядних ламп високого тиску (наприклад, металогалогенних), то тут застосування струму підвищеної частоти не дає настільки відчутних переваг, як у люмінесцентних ламп, а іноді просто не застосовується, знову ж таки через фізики газового розряду (нестійкості розряду на високій частоті). Однак в останні роки електроніка починає впроваджуватися і тут. На відміну від люмінесцентних ламп, електронні апарати забезпечують харчування ламп високого тиску не високочастотним струмом, а прямокутними імпульсами низької частоти (100 - 150 Гц). Таке харчування дозволило різко знизити, а іноді і повністю виключити пульсації світлового потоку ламп, а також масу і габарити самих апаратів.
В даний час ЕПРА для розрядних ламп високого тиску потужністю до 150 Вт виробляються в невеликих кількостях на заводі ЕНЕФ (Білорусія), на підприємствах фірм Osram, Tridonic, Philips. Однак, немає сумнівів, що в найближчі роки почнеться таке ж бурхливе впровадження електронних апаратів для ламп високого тиску, яке ми бачимо зараз у ЕПРА для люмінесцентних ламп.