ПРА-второе сердце светильника

Как известно, «сердцем» светильника является источник света или просто лампа. Все широко применяемые в настоящее время источники света делятся на два класса: тепловые и газоразрядные. В тепловых источниках свет создаётся за счёт нагрева тела накала (спирали из тугоплавкого металла – вольфрама) протекающим через него током. В газоразрядных источниках свет создаётся электрическим разрядом между двумя электродами. Тепловые источники света – это знакомые всем лампы накаливания. Они включаются в сеть непосредственно, то есть не требуют для своей работы каких-либо специальных устройств (лампа просто ввинчивается или вставляется в патрон, к которому подсоединены провода электрической сети).

В отличие от тепловых, газоразрядные источники света не могут включаться в сеть непосредственно, а требуют для своей нормальной работы включения только со специальной аппаратурой, обеспечивающей их зажигание и горение. Это связано с физикой газового разряда. Если у подавляющего большинства приёмников электрической энергии при увеличении подаваемого на них напряжения увеличивается и протекающий через них ток, то все газоразрядные источники света имеют так называемую «падающую» вольтамперную характеристику.

Это означает, что с ростом тока через такой источник напряжение на нём не растёт, а уменьшается. За счёт этого ток разряда, если его не ограничивать, будет лавинообразно расти до тех пор, пока не выйдет из строя одно из трёх звеньев любой электрической цепи: источник энергии, приёмник или провода, соединяющие источник и приёмник энергии. Кроме того, для возникновения разряда (зажигания) требуется напряжение, в несколько раз превышающее напряжение поддержания разряда (горения).

Эти две особенности физики газового разряда делают возможным включение газоразрядных источников света только совместно с такими устройствами, которые, с одной стороны, обеспечивают подачу напряжения, достаточного для возникновения разряда (т.е. для зажигания лампы), и, с другой стороны, ограничивают ток разряда на уровне, требуемом для нормальной работы лампы. Такие устройства в русскоязычной технической литературе получили название «пускорегулирующие аппараты» (ПРА).

В принципе название «пускорегулирующий аппарат» некорректно, так как такие устройства не регулируют, а только ограничивают ток лампы. Однако не будем ломать копья по этому поводу и далее будем пользоваться общепринятой аббревиатурой «ПРА».

Что же такое ПРА?

Как ясно из сказанного, ПРА должны обеспечивать зажигание ламп и ограничивать ток через них на требуемом уровне. Очевидно, что для ограничения тока достаточно последовательно с лампой включить какую-то другую нагрузку, падение напряжения на которой при нормальной работе (при «номинальном токе») лампы в сумме с напряжением на лампе будет равно напряжению питающей электрической сети. Поскольку мощность в такой дополнительной нагрузке расходуется впустую, эта нагрузка является балластом, то есть бесполезным потребителем. Поэтому одно из требований к такой нагрузке – снизить до предела потребляемую ей «балластную» мощность.

При работе ламп от сетей переменного тока балластная нагрузка может быть активной, индуктивной или ёмкостной; в сетях постоянного тока нагрузка может быть только активной. Теоретически в индуктивной или ёмкостной нагрузке потери мощности отсутствуют, поэтому на практике применяются только такие виды балластов. Из-за особенностей электрического разряда, далеко выходящих за рамки настоящего обзора, ёмкостные балласты неприменимы при работе ламп на частотах ниже 1000 Гц, поэтому реально используются только индуктивные или (гораздо реже) индуктивно-ёмкостные балласты. На практике индуктивный балласт – это катушка, намотанная изолированным проводом на сердечнике из материала с высокой магнитной проницаемостью (например, из электротехнической стали). Такая катушка называется дросселем. Хотя теоретически в дросселях не должно быть потерь мощности, практически достичь этого не удаётся, и потери в них составляют от 10 до 100% от мощности работающих с ними ламп.

Если задача ограничения тока через газоразрядную лампу решается для всех типов ламп простым включением её последовательно с балластной нагрузкой, то проблема зажигания ламп является более сложной и решается по-разному для разных типов ламп. В газоразрядных лампах низкого давления, к которым относятся все люминесцентные лампы, напряжение зажигания превышает напряжение горения в несколько раз и при горячих электродах составляет от 400 до 1000 вольт. При холодных электродах это напряжение может быть значительно выше.

Простейшим способом получения таких напряжений при одновременном прогреве электродов является включение параллельно лампе и последовательно с её электродами так называемых стартёров. Стартёр – это тоже газоразрядный прибор, у которого один из электродов сделан из биметаллической пластинки, то есть пластинки, состоящей из двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения. Напряжение зажигания стартёра должно быть ниже напряжения сети и выше напряжения горения лампы.

При включении лампы в стартёре возникает разряд, и ток идёт по цепи: дроссель – левый электрод лампы – стартёр – правый электрод лампы. За счёт этого тока разогреваются электроды лампы и стартёра. При нагреве биметаллического электрода стартёра он начинает выпрямляться и в какой-то момент замыкается с другим электродом. После замыкания электроды стартёра начинают остывать и принимать исходную форму. В момент размыкания на дросселе возникает импульс напряжения, достаточного в сумме с напряжением сети для зажигания разряда в лампе. Так как напряжение горения лампы ниже напряжения зажигания стартёра, повторное возникновение разряда в стартёре не должно происходить. Совокупность дросселя и стартёра называется электромагнитным ПРА. Нельзя называть «пускорегулирующим аппаратом» один дроссель, так как он не обеспечивает «пуска», то есть зажигания ламп, и ничего не регулирует.

Описанный выше способ исключительно прост и до середины 90-х годов минувшего века был монопольной, то есть применялся во всех светильниках с люминесцентными лампами. Однако ему присущ один принципиальный недостаток: так как величина напряжения, возникающего на дросселе, прямо пропорциональна току через дроссель, а момент разрыва контактов стартёра не увязан с фазой тока, то довольно часто разрыв происходит при малых токах и возникающего на дросселе напряжения недостаточно для зажигания в лампе устойчивого разряда. В результате лампа начинает мигать – это явление всем хорошо знакомо. В лампах высокого давления, к которым относятся металлогалогенные и натриевые лампы, напряжение зажигания составляет 3 – 5 кВ и выше. У этих ламп нет прогреваемых электродов, то есть зажигание ламп всегда происходит при холодных электродах. Для таких ламп использование стартёра, невозможно, поэтому для зажигания используются специальные импульсные зажигающие устройства, работающие только при включении ламп и обеспечивающие подачу на них требуемого напряжения. Иногда для облегчения зажигания в лампах высокого давления делается специальный «поджигающий» электрод, на который и подаётся высокое поджигающее напряжение.

Как и у любого органа, у «второго сердца светильника» могут быть определённые пороки. Какими же пороками оно страдает?

• Довольно большие потери мощности: в ПРА для маломощных люминесцентных ламп эти потери соизмеримы с мощностью самих ламп.
• На промышленной частоте тока (50 Гц) световой поток пульсирует с частотой 100 Гц. Глаз не замечает этих пульсаций, но через подсознание они отрицательно влияют на наш организм. Кроме того, пульсации светового потока создают так называемый «стробоскопический эффект», когда предметы, вращающиеся с частотой пульсаций или кратной ей, кажутся неподвижными. Это может приводить к травматизму в цехах, оснащённых станками с такой частотой вращения обрабатываемых деталей или инструмента.
• Люминесцентные лампы часто мигают при включении.
• Пускорегулирующая аппаратура имеет довольно внушительные габариты и массу.
• Световой поток ламп не поддаётся управлению, что несколько ограничивает возможности создания комфортных осветительных установок.
• Часто дроссели «гудят», то есть создают неприятный звук с частотой 100 Гц.

Для лечения этих пороков применительно к люминесцентным лампам наиболее радикальным средством оказалось питание ламп током повышенной частоты. Для этого в качестве балласта последовательно с лампой включают сложное электронное устройство, преобразующее напряжение сети в другое напряжение с частотой, как правило, несколько десятков кГц и одновременно обеспечивающее зажигание ламп. Такие устройства получили название электронные пускорегулирующие аппараты (сокращённо ЭПРА).

Первые ЭПРА появились ещё в 60-х годах прошлого века, однако их триумфальное шествие началось только в конце 80-х – начале 90-х годов. В настоящее время в ряде стран (Швеция, Швейцария, Голландия, Австрия) объём производства ЭПРА соизмерим с объёмом производства электромагнитных аппаратов. Чем же так хороши ЭПРА, что, несмотря на сложность и относительно высокую стоимость, они стремительно вытесняют прежние аппараты?

По сравнению с электромагнитными ПРА электронные аппараты имеют следующие неоспоримые преимущества: при равных световых потоках снижается энергопотребление комплекта лампа-ПРА на 20-25%, а для ламп малой мощности даже до 50%; до полутора раз увеличивается срок службы ламп; исключаются пульсации светового потока и вызванный ими стробоскопический эффект; уменьшается масса аппаратов и расход крайне дефицитных материалов – меди и электротехнической стали; зажигание ламп происходит без миганий; исключается гудение аппаратов; исключается применение стартёров; появляется возможность регулирования светового потока ламп и за счёт этого дополнительная экономия электроэнергии; коэффициент мощности (аналог известного cos j) увеличивается до 1, что исключает необходимость применения компенсирующих конденсаторов и снижает токовую нагрузку проводов; снижается спад светового потока ламп в течение их срока службы.

Кроме того, с внедрением ЭПРА появилась возможность создания систем управления освещением в помещениях, обеспечивающих наибольшую экономию электроэнергии и максимальный комфорт. Цена электронного «второго сердца» светильника в настоящее время в 5 – 10 раз выше, чем электромагнитного ПРА и стартёра. Однако этот (временный!) недостаток ЭПРА окупается за счёт экономии электроэнергии и увеличения срока службы ламп. Специалисты крупнейших светотехнических фирм (Osram, Philips, Motorola и др.) посчитали, что при нынешнем уровне цен электроэнергии и аппаратов срок окупаемости ЭПРА составляет от 1 до 2,5 лет в зависимости от времени работы ламп.

В настоящее время в мире производится до 300 млн. шт. ЭПРА в год, причём около половины этого количества – в составе так называемых интегрированных компактных люминесцентных ламп, предназначенных для прямой замены привычных ламп накаливания без применения какой-либо дополнительной аппаратуры. Конструкции ЭПРА весьма разнообразны.

Что касается разрядных ламп высокого давления (например, металлогалогенных), то здесь применение тока повышенной частоты не даёт столь ощутимых преимуществ, как у люминесцентных ламп, а иногда просто неприменимо, опять же из-за физики газового разряда (неустойчивости разряда на высокой частоте). Однако в последние годы электроника начинает внедряться и здесь. В отличие от люминесцентных ламп, электронные аппараты обеспечивают питание ламп высокого давления не высокочастотным током, а прямоугольными импульсами низкой частоты (100 – 150 Гц). Такое питание позволило резко снизить, а иногда и полностью исключить пульсации светового потока ламп, а также массу и габариты самих аппаратов.

В настоящее время ЭПРА для разрядных ламп высокого давления мощностью до 150 Вт производятся в небольших количествах на заводе ЭНЭФ (Белоруссия), на предприятиях фирм Osram, Tridonic, Philips. Однако, нет сомнений, что в ближайшие годы начнётся такое же бурное внедрение электронных аппаратов для ламп высокого давления, какое мы видим сейчас у ЭПРА для люминесцентных ламп.

По материалам сайта www.k-to.ru