логотип
Индивидуальный предприниматель Гильмутдинов С.Н.

С нами наука и техника!
Евгений Васильевич Иванов
Люминесцентные источники света выпрямленного тока, некоторые результаты испытаний
Главная
Назад (Теория)
Практика 3 стр
Разное
Обратная связь
В качестве эпиграфа:
«И свет во тьме светит, и тьма не объяла его»
Евангелие от Иоанна, Глава 1, п.5 
Доминирующие в настоящее время в России люминесцентные источники света переменного тока с электромагнитными балластами на лампах низкого давления имеют, как известно, следующие недостатки: высокие пульсации светового потока (до 57% для одноламповых светильников  и до 25% для двухламповых светильников с «расщеплённой фазой»), большой вес, высокий уровень акустических шумов, вредность для зрения. Все справочники по светотехнике, изданные в советское время, запрещали применение  люминесцентного освещения в детских учреждениях и ограничивали его применение в быту.
     Желая избавиться хотя бы от части недостатков современного люминесцентного освещения, многочисленные исследователи в СССР и за рубежом обратили внимание на питание люминесцентных ламп низкого давления выпрямлённым током промышленной частоты. Наиболее весома по этому вопросу выступили в журналах «Светотехника» № 2, 1987 г., «Светотехника» № 8, 1988 Г. Специалисты Каунасского политехнического института Р.Й.Бальсис, С.В.Думскис и Й.Ю.Коразна. В журнале «Светотехника» № 8, 1988 г. Были также опубликованы результаты обсуждения статей этих авторов с ведущими специалистами советской светотехнической науки из ВНИСИ.
     В результате обсуждения было отмечено, что авторы статей подняли актуальный для светотехники вопрос, что для светильников, работающих на выпрямленном токе, нужны специальные безкатафорезные  люминесцентные лампы и зажигающие лампу устройства, которые ещё нужно создать. Что массовое применение светильников выпрямленного тока приведёт к искажению формы синусоидального напряжения питающей сети переменного тока и к перегрузке нулевого провода высшими гармониками частоты сети 50 Гц. Было заявлено, что по обсуждаемому вопросу ВНИСИ готов лишь возглавить группу специалистов чтобы сформулировать постановку задачи. Вопросы реализации светильников выпрямленного тока и их усовершенствования не рассматривались. После распада СССР и установления рыночных отношений вопрос об усовершенствовании люминесцентных светильников выпрямленного тока не поднимался.
     В 1993 г. Мной был получен патент Российской Федерации № 1809550 на изобретение «Осветительное устройство», в котором обыкновенная люминесцентная лампа переменного тока питается выпрямленным током через диодно-емкостной балласт, и зажигается четверённым напряжением питающей сети переменного тока 50 Гц, 220 В. По этому изобретению диодно-емкостной балласт (см. Прилагаемую схему) состоит из трёх выпрямителей переменного тока, подключенных к общей нагрузке: учетверителя напряжения (пиковое напряжение до 1370 В), удвоителя напряжения (пиковое напряжение до 342 В). Поскольку элементами связи этих выпрямителей с общей нагрузкой являются их диоды, то эти диоды совместно с общей нагрузкой (люминесцентной лампой) – образуют нелинейный сумматор напряжения (логический элемент ИЛИ). В результате нелинейного сложения в каждый момент времени на лампу проходит только одно наибольшее напряжение из трёх, а остальные два заряжают соответствующие конденсаторы. Так как фазовые сдвиги импульсов каждого из трёх выпрямителей неодинаковы, в результате нелинейного сложения провалы напряжения от одного выпрямителя заполняются импульсами напряжения от других выпрямителей и пульсации выходного напряжения минимизируются. Более подробно работа диодно-емкостного балласта рассмотрена в описании изобретения к упомянутому выше патенту РФ № 1809550.
     Этим изобретением были устранены недостатки традиционного люминесцентного освещения, указанные выше. Некоторые другие недостатки из отмеченных в журнале «Светотехника» № 8, 1988 г., также были устранены в процессе совершенствования осветительного устройства. Осветительное устройство стало безвредным, бесшумным, легким, пригодным по потребительским свойствам для использования:  в быту; в детских учреждениях; на всех рабочих местах, в том числе на тех, где работа выполняется на компьютере. Но, к сожалению, такое осветительное устройство оказалось невостребованным. В течение более чем 10-ти последних лет я обращался в различные рекламные фирмы, к производителям осветительной техники, к представителям бизнеса с предложениями о реализации этого осветительного устройства и его последующего совершенствования. Но, увы, как-то существенно продвинуть всё это полезное и благое дело так и получилось.           В настоящее время у меня имеются несколько видов действующих макетов люминесцентных светильников выпрямленного тока, с результатами многолетних испытаний которых поделился с читателями журнала «ИНЖЕНЕР».
      Первый макет своего светильника был создан мной в 1988 г. на лампе ЛБ40 в конструктиве типа ЛПО46-40. Пульсации тока лампы, рассчитанные как отношение амплитуды пульсаций к среднему току, составляли 15%. Примерно раз в неделю, из-за малого, но заметного потемнения одного конца лампы (из-за катафореза), я вынимал лампу из панелек и вставлял её противоположными концами. В таком режиме лампа проработала более 1 года, потом перестала зажигаться. Далее в схему светильника я внёс добавления. Вместо резистора 24 (см. схему) – 43 Ом, 5 Вт, служащего для устранения автоколебаний между лампой 25 и электрическим конденсатором 18, был включён простейший транзисторный аналог этого резистора, сопротивление по постоянному току которого составляло 40 – 50 Ом, а по переменному току 1000 – 2000 Ом. Люминесцентная лампа 25 была подключена к транзисторному аналогу резистора через переключатель полярности на релейном переключателе РПС 32 с простейшей схемой управления, обеспечивающей переключение полярности питающего лампу напряжения при выключении светильника. После этих добавлений пульсации светового потока, измеренные прибором Пульсомер-Люксомер «ТКА-Пульс», снизились до 2 – 3%, а потемнение концов лампы стали наблюдаться только после 28 – 30 месяцев эксплуатации, а средний срок работы ламп в светильнике (календарное время функционирования лампы) за 15 лет наблюдений составило 37 – 38 месяцев. Для одного из экземпляров лампы потребляемый переменный ток светильника (при напряжении сети в 220 В) составлял  0,362 А, рассеиваемая лампой мощность составляла 120,1В × 0,278А = 33,4 Вт.
     Макет другого светильника, который работает уже 17-й год, потолочный на лампе ЛБ-80. В его составе кроме диодно-емкостного балласта и переключателя полярности, описанных выше, вместо резистора 24 (см. схему) включён дроссель индуктивностью 0,5 Гн. Пульсации светового потока, измеренные указанным выше прибором, составляют 15 – 17%. Средний срок работы ламп составил 40 месяцев. Для одного из экземпляров лам потребляемый переменный ток светильника (при напряжении сети в 220 В) составил 0,79 А, рассеиваемая лампой мощность составила 120 В × 0,60 А = 72 Вт.

хема люминесцентного источника света выпрямленного тока
Почти 3 года работает над моим письменным столом макет светильника на лампе ЛДЦ 40, со схемой выполненный аналогично усовершенствованному первому макету. Пульсации светового потока, измеренные прибором, составляют 1,8 – 2,0% (в зависимости от полярности питающего лампу напряжения). У лампы наблюдается небольшое потемнение её концов. Потребляемый переменный ток светильника (при напряжении сети в 220 В) составляет 0,366А, рассеиваемая лампой мощность – 116 В × 0,27 А = 31,3 Вт.    
     Девять месяцев в прихожей моей квартиры светит макет светильника на лампе ЛБУ 30, по схеме выполненной аналогично предыдущему варианту. Он содержит короб с размерами 115 × 115 × 36 мм, где расположены диодно-емкостной балласт, транзисторный аналог резистора и переключатель полярности. Вертикально расположенная лампа штыревой частью входит в два отверстия в днище короба и крепится к ней при помощи элемента крепления, входящего в комплект лампы. Пульсации светового потока, измеренные прибором, составляют 1,4 и 1,6% (в зависимости от полярности питающего лампу напряжения). Потребляемый переменный ток светильника (при напряжении сети в 220 В) составляет 0,303 А, рассеиваемая лампой мощность – 116,6 В × 0,234 А = 27,3 Вт. Следует отметить, что в течение первого месяца работы лампы ЛБУ 30 у неё сильно потемнели её концы, но она продолжает хорошо зажигаться и светиться после десяти месяцев эксплуатации. После семи месяцев эксплуатации потемневший люминофор у её концов стал постепенно осыпаться в нижнюю часть лампы. Видимо этот тип лампы не терпит холодных зажиганий и для неё потребуется специальная схема предварительного разогрева её катодов.
     Для сравнения в 1988 году мной испытывался стандартный светильник переменного тока типа ЛПО46-40 с лампой ЛБ40 . Через 36 месяцев эксплуатации первая лампа перестала зажигаться при значительном потемнении её конусов. Вторая и все последующие лампы также прекращали работать примерно через 36 месяцев. Элементарный расчёт показывает, что продолжительность горения лампы в обычных бытовых условиях составляет не более половины её паспортного ресурса.
      Полученные за 17 лет моих наблюдений данные говорят, что в обычных бытовых условиях испытаний календарный срок службы «толстых» (диаметром 38 мм) люминесцентных ламп в стандартных светильниках переменного тока и в макетах светильников выпрямленного тока (при холодном зажигании их ламп) примерно одинаковый. А продолжительность горения ламп в этих светильниках составляет не более половины их паспортного ресурса. Это можно объяснить частыми включениями–выключениями светильников в конкретных бытовых условиях испытаний. Испытание макета светильника на «тонкой» лампе (ЛБУ30) ещё продолжается, и говорить что-либо о возможности использования таких ламп в светильниках выпрямленного тока пока преждевременно.
     В люминесцентных светильниках выпрямленного тока обеспечивается высокое качество света: свет почти солнечный – пульсации светового потока составляют от 1% до 3% (у ламп накаливания – менее 5% только при мощности более 250 Вт). Люминесцентное освещение светильниками выпрямленного тока – безвредно. В настоящее время службы по охране труда в России стараются обеспечить освещенность компьютерных рабочих мест европейской нормой по пульсации светового потока менее 5%. Для выполнения этого законопослушные руководители учреждений идут на повышенную трату  электроэнергии в расчёте на один компьютер, питая группу традиционных люминесцентных светильников от разных фаз трехфазной электросети. Закононепослушные руководитель это требование по охране труда не исполняют и игнорируют.
     Светильники выпрямленного тока бесшумны и имеют небольшой вес. Это позволяет создать бытовые люминесцентные настольные лампы, бра и люстры.
     При возможностях современной электроники, вполне возможно выполнить схемную часть люминесцентного светильника в виде несложной интегральной микросхемы. Учитывая, что люминесцентная лампа, работающая на выпрямленном токе, будет бескатафорезная (см. журнал «Светотехника» № 8, 1988, с.23, автор В.Г.Боос), для неё не нужен переключатель полярности питающего напряжения, что также существенно упрощает схему светильника. При массовом производстве люминесцентных светильников выпрямленного тока они конструктивно и технологически упрощаются и станут более надёжными по сравнению с традиционными люминесцентными светильниками. В новых условиях не нужны будут трудоёмкие, малонадёжные дроссели, стартёры.
     Конечно, люминесцентные светильники выпрямленного тока функционально несколько сложнее традиционных светильников. Высокое качество света просто так не даётся. Поэтому стоимость светильников выпрямленного тока будет несколько выше традиционных, но не выше стоимости зарубежных светильников, в которых люминесцентная лампа для снижения пульсаций света питается высокочастотным током от специального импульсного преобразователя. Кроме того, при переходе на массовое производство светильников выпрямленного тока стоимостные параметры могут быть сначала доведены до уровня тех же самых затрат при изготовлении уже выпускающихся традиционных источников, а в будущем эти стоимостные параметры могут стать даже и ещё меньше.
     Рассмотренные в данной статье действующие макеты люминесцентных светильников выпрямленного тока, как и традиционные светильники, имеют примерно одинаковый коэффициент мощности, который равен 0,5. А знак аргумента коэффициента мощности – отрицательный для светильников выпрямленного тока, и положительный для традиционных светильников. То есть для электрической сети переменного тока первые светильники являются ёмкостной нагрузкой, а вторые – индуктивной. Учитывая, что большинство бытовых электроприборов (холодильники, стиральные машины, пылесосы, вентиляторы, кухонные комбайны и др.) для электрической сети являются индуктивной нагрузкой, то светильники выпрямленного тока при включении их в электрическую сеть будут в определённой степени являться компенсаторами индуктивного тока этих электроприборов.
     Коэффициент мощности светильников выпрямленного тока примерно равный 0,5 не является каким-то их неисправимым и непреодолимым недостатком. У автора этой статьи имеется макет светильника выпрямленного тока на лампе ЛБ80, работающий уже 15 лет, коэффициент мощности которого без входной компенсирующей цепи составляет 0,9.
     Так что в направлении развития светильников выпрямленного тока есть значительные технические и технологические перспективы.
Практика 3 стр