ЭПРА для светильника: устройство, назначение и схемы электронного балласта для люминесцентных ламп

Обновлено: 18.05.2024

Для работы люминесцентных, энергосберегающих, светодиодных ламп и панелей необходимо наличие в цепи элементов, обеспечивающих на их входных контактах определенную заданную величину тока и напряжения. Это достигается применением пускорегулирующей аппаратуры.

В случае работы люминесцентной лампы эта аппаратура обеспечивает предварительный прогрев электродов, после чего ртуть, содержащаяся в трубке, постепенно начинает переходить в парообразное состояние. Для возникновения стабильного тлеющего разряда внутри лампы необходимо, чтобы на ее электроды поступил кратковременный импульс напряжения большой величины.

Устройство ЭПРА обеспечивает возникновение этого импульса, включение лампы после полного испарения ртути и в процессе работы понижает ток и напряжение на лампе.

В самой простой модификации такой режим обеспечивает электромагнитный дроссель совместно со стартером. Но в случае применения электромагнитного дросселя работу лампы сопровождает гудение, мерцание и мигание при включении.

Электронные пускорегулирующие аппараты в итоге решают те же задачи, что и электромагнитные. Они обязаны обеспечивать зажигание и стабильную работу светильников.

Электронный балласт - это прибор для понижения тока на элементах электрической цепи. Балласты применяются, если сопротивление нагрузки не в состоянии результативно снизить потребляемый ток. Это возникает в случаях, когда устройство имеет отрицательное переменное сопротивление по отношению к элементу питания.

Если такая нагрузка будет подключена к источнику постоянного напряжения, то через нее будет протекать ток, увеличивающийся до тех пор, пока она или источник тока не выйдут из строя.

Для предотвращения этого используется балласт, обеспечивающий активное или реактивное сопротивление, понижающее величину тока до расчетного значения.

Одним из устройств с отрицательным сопротивлением является газоразрядная лампа.

В настоящее время для пуска и обеспечения работы ламп наиболее часто стали использоваться электронные балласты ЭПРА, которые имеют целый ряд преимуществ по сравнению со схемой включения при помощи электромагнитного дросселя.

Внешний вид ЭПРА для ламп Т8

Существуют такие модификации ЭПРА, которые встраиваются в корпус люминесцентных ламп цокольной модификации.

Они устанавливаются в кожухе лампы, находящемся между цоколем и излучающей трубкой.

Для светодиодных ламп, панелей и лент, принцип работы которых основан не на использовании электрического разряда между электродами лампы, а на свечении кристаллических светодиодов, вместо ЭПРА применяются электронные блоки питания.

Они могут быть встроены в корпус лампы или же установлены в светильник как отдельный элемент цепи.

Ниже показано устройство светодиодной лампы со встроенным драйвером.

Компактная лампа с встроенным ЭПРА

Электронные балласты не требуют для зажигания лампы наличия стартера как самостоятельного элемента цепи.

Схема электронного пускорегулирующего аппарата создает заданное напряжение и ток в последовательности, требующейся для корректной работы.

Электронная схема ЭПРА на нужном уровне стабилизирует рабочий ток и преобразует переменное синусоидальное напряжение питающей сети частотой 50 герц в ток более высокой частоты, от 20 кГц до 60 кГц.

Поэтому при работе люминесцентной лампы достигается отсутствие мерцания, пульсаций при запуске и гудения светильника.

Существуют различные варианты зажигания ламп, которые можно реализовать с помощью ЭПРА.

Это может быть плавный пуск с постепенным увеличением яркости свечения до номинальной за несколько секунд. Можно установить моментальный запуск.

Так же как и электромагнитный дроссель, ЭПРА первоначально разогревают электроды лампы, затем создают высоковольтный импульс и после возникновения тлеющего разряда поддерживают ее работу в оптимальном режиме.

Применение этих приборов ведет к увеличению энергоэффективности лампы и сохранению ее работоспособности на весь установленный срок службы.

Ниже приводится электрическая схема электронного преобразующего аппарата, применяемого для включения и регулирования работы люминесцентной лампы мощностью 30 ватт.

На мостик, состоящий из четырех диодов D1, D2, D3, D4 типа 1N4007 подается напряжение сети 220 вольт, частотой 50 герц.

На нем происходит выпрямление входного напряжения, то есть нижний полупериод синусоидального тока переходит в верхнюю часть графика.

После этого ток, который был условно преобразован в постоянный, необходимо сгладить, уменьшив его амплитуду. Это выполняет конденсатор С1.

Для того чтобы полученное выпрямленное напряжение преобразовать в напряжение высокой частоты, используется инвертор на транзисторах Т1 и Т2.

В схеме используется трансформатор TU3802, имеющий две управляющие обмотки и одну рабочую, с которой напряжение частотой 20 кГц подается на электроды лампы.

Ток, подающийся на лампу, разогревает электроды, и ртуть в колбе начинает испаряться, а импульс напряжения величиной 1 200 вольт зажигает тлеющий разряд в лампе, и она начинает работать в стабильном режиме.

Возможно подключение нескольких ламп через один электронный пускорегулирующий аппарат. Ниже показаны схемы включения двух и четырех ламп через один балласт.

Две лампы на один ЭПРА Четыре лампы с общим ЭПРА

Для люстры можно использовать ЭПРА, если в ней установлены компактные люминесцентные лампы.

Для этого нужно выбрать прибор, рассчитанный на суммарную мощность всех ламп, установленных в люстре, с двукратным запасом по величине.

Если в люстре установлены светодиодные лампы без встроенного драйвера, то в схеме желательно предусмотреть электронный блок питания.

В случае применения электронных балластов устраняются такие негативные явления, как мигание ламп во время включения, мерцание и гудение, сопровождающие работу светильников с электромагнитными ПРА. Устраняется стробоскопический эффект, который имеет место при работе ламп на переменном токе частотой пятьдесят герц.

При использовании электронного балласта возникновение этого эффекта невозможно, поскольку на лампу подается ток высокой частоты в несколько десятков килогерц.

По цене ЭПРА довольно дорогие, но их стоимость быстро окупается в результате создания ими экономичного режима работы ламп в люстре.

Можно устанавливать в люстры лампы с встроенными драйверами.

При помощи электронных ПРА можно создать режим включения ламп с постепенным нарастанием мощности, отрегулировать поочередную работу различных групп ламп в люстре и применить другие интересные решения.

Электронные блоки питания и контроллеры применяются и в цепях со светодиодными лентами.

С применением ЭПРА мощность, расходуемая светильником, становится меньше на тридцать процентов по сравнению с потребляемой при использовании ЭмПРА.

Продолжительность пригодности лампы возрастает на пятьдесят процентов в связи с обеспечением ее работы в щадящем режиме.

Сокращаются расходы на ремонт и замену комплектующих в светильниках, оборудованных ЭПРА.

Эти приборы незаменимы в цепях, обеспечивающих работу аварийного освещения.

ЭПРА для светильника — электронный пусковой и регулирующий аппарат, который осуществляет запуск и управление работой газоразрядных осветительных приборов. Широко применяется в устройстве люминесцентных ламп, в которых электрический разряд в парах ртути создает ультрафиолетовое излучение, превращаемое люминофором в видимый свет. В отличие от электромагнитного регулирующего устройства (дросселя), аппарат состоит только из электронных элементов.

Устройство аппарата

Качественный аппарат содержит встроенную систему защиты от перепадов в сети напряжения. Кроме того, у него существует предохранение от импульсных помех и пуска при отсутствии лампы. В типичный прибор входят:

Фильтр от помех — способствует разделению входящих сигналов в ЭПРА и предохранение от проникающих в сеть внешних воздействий.
Преобразователь электрической энергии — входящий переменный ток превращает в постоянный.
Устройство, способствующее коррекции коэффициента мощности преображаемого тока.
Прибор для сглаживания импульсов после изменения переменного тока в постоянный.
Дроссель — прибор, ограничивающий ток в сети.

Схема ЭПРА для люминесцентных ламп существует мостовая и полумостовая. Первое устройство применяется очень редко, так как обладает большим количеством дополнительных элементов.

Второй вид схем применяется гораздо чаще, хотя имеет низкий коэффициент полезного действия. Для ее управления аппарат оснащен инвертором с плавным регулятором яркости, в который входит внешний светорегулятор, предназначенный для управления электронным аппаратом.

Назначение прибора

Внутри газоразрядной лампы ток возрастает довольно быстро, поэтому происходит резкое падение сопротивления. Чтобы люминесцентные светильники не сгорели от чрезмерного нагрева, в ее схему последовательно подключается дополнительная нагрузка для ограничения тока в цепи, называемая балластом или дросселем.

Аппараты существуют электромагнитные и электронные. Электромагнитный представляет собой простой трансформатор, состоящий из медного провода и металлических пластин. В состав электронных устройств входят:

диоды;
динисторы;
транзисторы;
микросхемы.

В электромагнитных аппаратах используется дополнительное устройство — стартер. В электронном оборудовании эта функция заложена в самой схеме, которая лежит в основе устройства пускорегулирующего аппарата. Он обладает некоторыми преимуществами:

небольшой вес;
плавное включение ламп;
отсутствие мерцания и шума, так как аппарат работает на высокой частоте, достигающей десятки килогерц;
низкие тепловые потери.

Кроме того, электронный балласт для люминесцентных ламп обладает высоким коэффициентом полезного действия и рядом проверенных эффективных защит, которые позволяют продлить работоспособность аппаратов.

Схемы электронного оборудования

Наиболее бюджетным вариантом считается диодная схема ЭПРА с понижающим трансформатором. В некоторых моделях добавляются открытые транзисторы, что позволяет сгладить процесс снижения частоты. Выходное напряжение стабилизируют два конденсатора.

В более современных схемах приборов применяются динисторы операционного типа, которые постепенно вытесняют простые преобразователи. Это дает возможность пользователям самим настраивать параметры выходного напряжения приборов.

В двухконтактных схемах электронных аппаратов за выходными каналами устанавливается дроссель. Перед выходами находятся два конденсатора, а понижающий трансформатор — непосредственно над дросселем. Стабильное напряжение регулируется качественным динистором.

Популярной считается схема электронного аппарата для люминесцентных ламп на транзисторах EN13003A. Это довольно простые и дешевые приборы, которые не регулируются, но обладают большим сроком службы.

Принцип действия

С помощью диодного моста и конденсаторного фильтра, напряжение становится постоянным. Далее, благодаря инвертору на двух транзисторах, постоянное напряжение превращается в высокочастотное. Работа аппарата происходит в три этапа:

Сначала происходит разогрев электродов лампы, который осуществляет более быстрый и мягкий запуск даже при низких температурах.
Электронный аппарат повышает напряжение до 1,6 кВ, совершающее пробой газа в колбе лампы.
Лампа начинает светиться с небольшим напряжением на электродах, достаточного для поддержания горения.

Все эти процессы происходят благодаря тороидальному трансформатору с тремя обмотками. Две обмотки с помощью транзисторов осуществляют управление процессом горения, а третья подает на светильник резонансное напряжение, значительно превышающее показатели питающей сети.

То есть максимальный ток разогревает нити накала светильника, а большое резонансное напряжение, создаваемое на конденсаторе, зажигает его. Как только лампа загорится, подача резонансного напряжения прекращается, а светильник продолжает гореть.

Для этого хватает силы индукционного тока, поступающего от управляющей части электронного аппарата. Старт люминесцентной лампы длится меньше 1 секунды.

Несмотря на появление светодиодов, в эксплуатации все еще довольно большое количество светильников с люминесцентными лампами штырькового типа. Они тоже позволяют тратить меньше на электроэнергию, особенно если в светильнике применяется электронный балласт — ЭПРА для люминесцентных ламп.

Электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА, электронный балласт) — электронное устройство, осуществляющее пуск и поддержание рабочего режима газоразрядных осветительных ламп.

Как работает люминесцентная лампа с дросселем (ЭмПРА)

ЭмПРА — электромагнитный пускорегулирующий аппарат или просто «дроссель». Поняв принцип работы ЭмПРА, будет проще разобраться с устройством и принципом работы ЭПРА.

Для начала стоит разобраться с тем, как работает лампа дневного света. Речь пойдет о длинных лампах типа Т-8. Кроме источника света есть еще стартер (газоразрядная лампа) и пускорегулирующее устройство (дроссель и конденсаторы).

Устройство лампы дневного света

Люминесцентная лампа: устройство и условия для работы

Несколько слов о люминесцентных лампах трубчатого типа. Это полая стеклянная трубка, покрытая изнутри слоем люминофора. На края трубки надеты металлические колпачки с двумя штырьками. Эти штыри — выводы катодов. Катоды соединены попарно вольфрамовой спиралью со специальным эмиссионным покрытием. Лампа заполнена смесью инертных газов с парами ртути (воздуха внутри нет). Для того чтобы люминофор засветился, необходимо:

Наличие переменного электрического поля.
Свободные заряженные частицы.

Строение люминесцентной лампы

При наличии переменного поля, электроны и ионы активно движутся, наталкиваясь на стенки колбы, заставляя тем самым светиться нанесенный на них люминофор. Вроде все просто. Но при включении необходимо создать условия для появления в инертной среде свободных заряженных частиц. В выключенном состоянии их там просто нет. И даже если на катоды напрямую подать 220 В, ничего не произойдет. Переменное электрическое поле будет, а несвязанных ионов и электронов — нет. И света тоже не будет.

Как заставить люминесцентную лампу светиться

Итак, для того чтобы лампа зажглась, необходимо чтобы в ней появились свободные заряженные частицы. Инициировать их высвобождение можно двумя способами:

кратковременно подать высокое напряжение на катоды (холодный пуск);
разогреть спираль между двумя катодами до температуры, при которой начинается эмиссия.

Как добиться свечения люминофора

Обычно используют второй вариант. На него требуется больше времени и энергии, но сами лампы «живут» дольше. Холодный пуск популярен среди самодельщиков. Но этот способ «вырывает» из структуры частицы, что приходит к быстрому выходу лампы из строя. Чем он хорош, так это тем, что можно заставить работать лампы с перегоревшими спиралями. Но использовать его нерационально, так как катоды быстро перегорают.

Как работает светильник дневного света с ЭмПРА (электромагнитным балластом)

Для того чтобы обеспечить появление свободных частиц используют дроссель, который называют еще электромагнитный балласт и стартер. Для стабилизации работы используют конденсаторы (на схеме ниже С1 и С2). Дроссель представляет собой набор ферромагнитных пластин, обмотанных эмалированным медным проводом. Дроссель похож на трансформатор, только имеет одну обмотку. Стартер представляет собой газоразрядную лампу с подвижным биметаллическим контактом.

Пока лампа холодная, вольфрам имеет высокое сопротивление, поэтому, при включении, ток течет слабый — порядка 35-50 мА. Его не хватает на разогрев катодов, но для работы газоразрядной лампы стартера он достаточен. Протекающий через стартер ток разогревает контакты газоразрядной лампы. По мере нагрева биметаллический контакт изгибается и в какой-то момент соприкасается со вторым — неподвижным контактом. В этот момент ток мгновенно возрастает до сотен миллиампер (500-800 мА). Тлеющий разряд в стартере гаснет, биметаллический контакт остывает и размыкает цепь. Но несколько секунд ток в цепи очень высокий. Этого времени достаточно для разогрева катодов лампы и начала эмиссии свободных частиц. Возле катодов образуется облако из свободных ионов и электронов.

Но это еще не старт лампы. Она все еще не светится. При размыкании контакта в стартере, в дросселе возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая совпадает по фазе с напряжением в сети. Это приводит к мгновенному скачку напряжения до киловольт (1000 В и больше). Такое высокое напряжение вызывает зажигание дуги, пробой газа в лампе и активное высвобождение свободных частиц. Частицы, ударяются в люминофор, вызывают его свечение. Лампа зажигается.

Недостатки ЭмПРА

В свое время такая схема была популярна: расходы электроэнергии на освещение снижались примерно в два-три раза. И это притом что служили такие светильники дольше, свет давали более четкий. Но есть у них и серьезные недостатки:

Зажигается светильник не срезу. Проходит несколько секунд. И чем больше срок эксплуатации лампы, тем промежуток времени больше.
Свет «моргает». Мы этого не видим, но сетчатка на моргание реагирует. Это вызывает повышенную утомляемость, может стать причиной головной боли. При работе с вращающимися частями возникает стробоскопический эффект, что может быть опасным.
При работе дроссель гудит. Некоторые весьма громко. Постоянный фон понижает работоспособность.
В холодном помещении лампа может вообще не зажечься.
Дроссель может нагреваться до 100°C — это дополнительный расход электроэнергии.

Современный ЭмПРА компании Schwabe Hellas. Q 125.613.4 — электромагнитный ПРА (ЭмПРА) используют с лампами внутреннего применения мощность 125 Ватт. Иногда ЭмПРА называют дросселем для ламп дневного света — учитывайте это при поиске по каталогам

Все эти минусы устранены в ЭПРА (электронных пускорегулирующих аппаратах). Плюс — они еще и электричества потребляют меньше, что делает люминесцентные светильники более экономичными.

Устройство ЭПРА — электронного балласта

Электронное пускорегулирующее устройство для люминесцентных светильников — не самое простое устройство. Намного сложнее приведенного выше. В нем есть шесть отдельных блоков, каждый из которых выполняет определенную функцию. Общее назначение этого устройства — повысить частоту напряжения (до 20 кГц или выше). Это позволяет избежать моргания и гула. Еще одна задача, которая должна быть реализована — постепенный разогрев катодов ламп. Это требуется для того, чтобы избежать холодного старта. Для начала разберемся, из каких частей состоит ЭПРА для люминесцентных ламп, что каждый из блоков делает.

Блок-схема представлена на рисунке, разберемся что делает каждый блок:

Напряжение такой формы поступает от сети

После выпрямления нет нижней полуволны

Это то, что получаем на выходе фильтра

Электронный пускорегулирующий аппарат ЭПРА ЛЛ 2х36 HF-S TLD II встраиваемый (913713032466) компании Philips. HF-Selectalume II - наиболее рентабельное, надежное, компактное и доступное решение для флуоресцентного освещения

Как видите, ЭПРА довольно сложное устройство, но все блоки понятны, кроме момента преобразования постоянного тока в высокочастотный переменный. Эту часть рассмотрим отдельно.

Как происходит преобразование постоянного напряжения в высокочастотное

Встроенный в ЭПРА для люминесцентных ламп инверторный преобразователь из полученного ранее постоянного напряжения формирует высокочастотный сигнал. Частота пульсации напряжения порядка 50 кГц, то есть в 1000 раз выше чем в нашей сети. Благодаря такой высокой частоте решаются сразу две проблемы: люминесцентная лампа не моргает и не гудит. Вернее, свет моргает, но с частотой 50000 раз в секунду, что нашим глазом воспринимается как постоянное свечение.

Еще один вариант блок-схемы ЭПРА для люминесцентных ламп

Блок-схема инверторного преобразователя в ЭПРА

Чаще всего этот блок выполнен на основе полумостовой схемы. Этот вариант более популярен, так как для мостовой необходимо в два раза больше дорогостоящих ключей. К тому же его мощность для бытовых и производственных светильников просто не требуется (сотни ватт). Состоит схема инвертора на основе полумостовой схемы из следующих блоков:

- БУ. Блок управления, управляющий работой ключей.
- К1 и К2. Ключи (обычно биполярные высоковольтные транзисторы, в более качественных ЭПРА для люминесцентных ламп ставят полевые транзисторы MOSFET). Они включены так, что если один открыт второй закрыт. Оба одновременно открыться или закрыться не могут.
Блок-схема инверторного преобразователя. На входе у него постоянное напряжение, на выходе переменное высокой частоты

На схеме входное напряжение указано 300 В, примерно таким оно и бывает после всех преобразований. Но стоит помнить, что форма у него не линейная, а пилообразная. На работу инвертора это не влияет, но может быть важным, если вы захотите увидеть работу схемы при помощи осциллографа.

Как работает инверторный преобразователь в электронном балласте

Помним, что холодная люминесцентная лампа имеет высокое сопротивление и через нее ток не течет. Именно поэтому в данной схеме необходим параллельно подключенный конденсатор. Работает схема следующим образом:
- Блок управления подает команду на переключение ключей.
  - Пусть первым замыкается К1. Тогда ток течет по цепи: верхняя клемма — замкнутый К1 — обмотка дросселя — один из катодов — через дроссель на БЗ — конденсатор С2 — нижняя минусовая клемма.
  - Ключи перекидываются в противоположное состояние: К1 разомкнут, К2 замкнут. В таком случае ток течет по следующему пути: плюсовая клемма — конденсатор С1 — БЗ — через один из катодов лампы — через параллельно подключенный конденсатор на обмотку дросселя — замкнутый контакт К2 — минусовая клемма.
  Схема та же, просто легче будет следить за работой элементов
  
  В таком режиме лампа работает до тех пор, пока не выключат напряжение питания. Ключи перебрасываются с заданной частотой, ток, проходящий через лампу, ограничивает дроссель, БЗ (блок защиты) следит за исправностью лампы и заблокирует ключи при сбое.
  
  ЭПРА для люминесцентных ламп: основы подбора
  
  На полках магазинов можно найти ЭПРА для люминесцентных ламп сравнимые по цене с электромагнитными. Есть и другая категория — они стоят раза в три-четыре больше. Несмотря на разницу в цене, лучше выбрать более дорогие. Цена сложилась не просто так. Дорогой электронный балласт имеет именно ту структуру, которая приведена выше — со всеми опционными устройствами (коррекцией коэффициента мощности, регулировкой яркости и обратной связью). Благодаря чему более дорогие ЭПРА для люминесцентных ламп потребляют значительно меньше электроэнергии, обеспечивают более «ровные» условия работы, что продлевает срок службы светильников. В общем, этот тот случай, когда более экономно купить более дорогостоящий вариант.
  
  Выбирать необходимо по техническим показателям
  
  Но цена — далеко не все, на что стоит обращать внимание. Необходимо отслеживать следующие показатели:
  - Для одной или для двух ламп предназначен электронный балласт. Этот параметр отображается рисунком на корпусе. Обычно показано и как их надо подключать.
  - Мощность ЭПРА. Она должна совпадать с мощностью ламп. Иначе функционировать светильник не будет.
  - С какими лампами работает этот электронный балласт (типы ламп — Т4, Т5 и Т8). . Если светильник установлен в жилых комнатах, достаточно обычного исполнения — IP23. Для ванных комнат нужна повышенная влагозащита — IP 44 и выше.
  Для уличных светильников важен температурный диапазон. Стоит заметить, что далеко не все лампы, да и далеко не любой ЭПРА может работать при низких температурах. Может случиться так, что лампа просто не разогреется до достаточной для старта температуры. Так что обращайте внимание на этот показатель.
  
  Схемы ЭПРА
  
  Вряд ли имеет смысл собирать электронный балласт своими руками. Даже качественные модели стоят не так много, чтобы оправдать затраты времени на сборку. Разве что вам хочется сделать что-то самостоятельно. Работающая самостоятельно сделанная вещь, безусловно, приносит моральное удовлетворение. В сети есть масса схем, но многие из них абсолютно нерабочие. В этом пункте приведем рабочие — на базе микросхем или без них.
  
  Схема электронного балласта для ламп дневного света на базе транзисторных ключей
  
  ЭПРА на базе микросхемы IR2520D фирмы IR с диапазоном рабочей частоты от 35 кГц до 80 кГц
  
  Схема электронного балласта на микросхеме UBA2021 фирмы NXP. Рабочая частота 39 кГц
  
  Читайте также: