ЭПРА

   Многие недостатки люминесцентных ламп и дросселей устраняются при использовании электронных высокочастотных аппаратов включения (ЭПРА). В последние годы такие аппараты стали уже достаточно привычными: в странах Европейского Союза около половины всех светильников с люминесцентными лампами делается с электронными схемами включения (в Швеции и Австрии даже больше половины). К сожалению, в России такие аппараты используются еще недостаточно широко.

     На рисунке показана структурная схема современного ЭПРА, содержащая все основные узлы: входной фильтр подавления высокочастотных помех 1, выпрямитель 2, корректор формы потребляемого от сети тока 3, управляющий каскад 4, усилитель мощности 5, выходной каскад 6. Различия схем ЭПРА заключаются, в основном, в принципиальной схеме управляющего каскада, так как остальные узлы к настоящему времени отработаны настолько, что являются чуть ли не унифицированными.        

       Для подавления высокочастотных помех, создаваемых ЭПРА в электрической сети, используются П-образные или двойные П-образные фильтры из индуктивностей в несколько мГн и емкостей до 1000 нФ. Как правило дополнительно для этой же цели включается емкость порядка единиц нФ между одним из питающих проводников (обычно нейтралью) и заземляющим проводом. В качестве выпрямителя может быть использован любой стандартный мостик, рассчитанный на соответствующие токи и напряжения.

      Коррекция формы потребляемого тока осуществляется с помощью достаточно мощных транзисторов (обычно полевых), управляемых специальными устройствами. Для этого разработаны и серийно выпускаются интегральные микросхемы, отслеживающие форму тока.

        «Сердцем» любого ЭПРА является управляющий каскад 4. В настоящее время еще встречаются схемы ЭПРА в которых для управления силовыми транзисторами усилителя мощности используются автогенераторы на дискретных элементах. Однако в подавляющем большинстве ЭПРА для управления усилителем мощности применяются специально созданные интегральные микросхемы. Современные микросхемы с небольшим количеством внешних элементов (конденсаторов и резисторов) обеспечивают предварительный прогрев электродов ламп, зажигание, рабочий режим, стабилизацию параметров ламп в рабочем режиме, защиту от аварийных ситуаций (перегрузка по току, работа при неисправных лампах или без ламп, короткое замыкание выходной цепи и т. п.).  

      Сигналы с выхода интегральных микросхем подаются на усилитель мощности 5. В качестве усилителей в настоящее время используются, в основном, полевые транзисторы, хотя изредка еще встречаются схемы и на биполярных транзисторах.

       К выходу усилителя мощности подключается выходной каскад - токоограничивающий дроссель и лампа, параллельно которой включен конденсатор. Конденсатор и дроссель образуют резонансный контур, резонансная частота которого близка к частоте импульсов на выходе усилителя мощности. Из физики известно: при совпадении резонансной частоты цепочки из последовательно включенных дросселя и конденсатора с частотой подаваемого на нее напряжения суммарное сопротивление цепочки равно нулю. Ток через цепочку и напряжение на каждом из элементов схемы увеличиваются до бесконечности. Реально в электронных аппаратах включения частота напряжения на выходе усилителя мощности 5 близка к резонансной частоте цепочки из дросселя и конденсатора (но никогда не равна ей!). Поэтому при включении аппарата через электроды лампы протекает ток, достаточный для их разогрева до необходимой температуры, а на конденсаторе создается напряжение, необходимое для возникновения разряда в лампе с подогретыми электродами. После зажигания лампы напряжение на ней падает до напряжения горения, а частота напряжения преобразователя автоматически изменяется так, чтобы через лампу протекал ток заданной величины.

      В большинстве современных аппаратов блок управления выполняет еще две функции: стабилизацию тока лампы при колебаниях сетевого напряжения и коррекцию коэффициента мощности. Коэффициент мощности, обычно обозначаемый греческой буквой γ, – это отношение мощности, потребляемой лампой вместе с аппаратом, к произведению тока и напряжения:

γ = Р / U I.

          При синусоидальной форме тока и напряжения коэффициент мощности – это cos φ. Но при питании ламп через электронные аппараты форма тока искажается (как говорят, «в токе появляются высшие гармоники»), и коэффициент мощности уже не совпадает с cos φ. У лучших современных аппаратов коэффициент мощности близок к 1 (0,95–0,99). Функции исправления формы потребляемого тока («подавление высших гармоник») обычно выполняет входной фильтр 1. Подавление высших гармоник и коррекция формы потребляемого тока обеспечивают электромагнитную совместимость аппарата с питающей сетью.    

       В некоторых аппаратах блок управления 4 выполняет еще одну функцию – обеспечивает регулирование светового потока ламп, чаще всего за счет изменения частоты напряжения преобразователя. Строго говоря, только такие аппараты и могут называться пускорегулирующими, так как только они обеспечивают и пуск, то есть зажигание, ламп, и регулирование их светового потока. 

      Принципиальное отличие электронных схем включения люминесцентных ламп от стартернодроссельных заключается в том, что лампы в таких схемах питаются током высокой частоты, обычно 20–40 кГц, вместо 50 Гц. Высокочастотное питание ламп дает следующие положительные результаты:

1. Из-за особенностей высокочастотного разряда увеличивается световая отдача ламп. Это увеличение тем больше, чем короче лампа: у ламп мощностью 36 (40) Вт световая отдача возрастает примерно на 10%, у ламп мощностью 18 (20) Вт – на 15%, у ламп мощностью 4 Вт – на 40%.
2. Глубина пульсаций светового потока с частотой 100 Гц уменьшается примерно до 5%.
3. Исключаются звуковые помехи, создаваемые дросселями
4. Исключается мигание ламп при включении.
5.  Исключается необходимость компенсации реактивной мощности (коррекции cos φ).
6. За счет исключения миганий при включении и точного прогрева электродов повышается срок службы ламп (до полутора раз).
7. Появилась возможность регулирования светового потока ламп.
8. Электронные аппараты значительно легче, чем дроссели и компенсирующие конденсаторы.

 Таким образом, ЭПРА устраняют большинство недостатков люминесцентных ламп со стартернодроссельными схемами включения. Но эти аппараты имеют и свой недостаток, препятствующий их повсеместному внедрению: цена электронных аппаратов сегодня значительно выше, чем дросселей, стартеров и компенсирующих конденсаторов, вместе взятых. Но, тем не менее, как уже было сказано, в странах Европейского Союза доля светильников с электронными аппаратами приближается к 50% всех светильников с люминесцентными лампами.

    Необходимо отметить, что люминесцентные лампы нового поколения в колбах диаметром 16 мм принципиально могут работать только с электронными аппаратами. Это обстоятельство дает дополнительные преимущества светильникам с такими лампами.

      В последние годы началось довольно широкое внедрение электронных аппаратов включения разрядных ламп высокого давления, в частности, металлогалогенных, совмещающих функции зажигающего устройства и дросселя. Высокочастотное питание ламп высокого давления не дает таких преимуществ, как у люминесцентных ламп, и, кроме того, приводит к неустойчивости разряда (так называемому акустическому резонансу). Поэтому, в отличие от люминесцентных ламп, лампы высокого давления через такие аппараты питаются не высокочастотным током, а током прямоугольной формы с частотой 80–150 Гц. Электронные аппараты включения значительно (в 3–4 раза) легче дросселей и, кроме того, сочетают функции балласта и зажигающего устройства, а иногда и компенсирующего конденсатора. Металлогалогенные лампы с керамическими горелками, как правило, рекомендуется использовать только с электронными аппаратами.

     Питание ламп током прямоугольной формы приводит к значительному снижению глубины пульсаций светового потока и улучшению некоторых параметров ламп (срока службы и световой отдачи). За рубежом такие аппараты выпускаются только для ламп небольшой мощности (до 150 Вт).

     Параметры аппаратов разных фирм мало отличаются друг от друга. некоторые фирмы выпускают аппараты, способные работать с лампами не одного, а нескольких номиналов мощности. Практически все крупные фирмы производят и аппараты, обеспечивающие регулирование светового потока ламп, то есть электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА) в полном смысле этого понятия. Кроме обеспечения наиболее комфортного освещения, ЭПРА позволяют создавать и системы автоматизированного управления освещением, дающие экономию электроэнергии до 75%.

      В последние годы на российском рынке появились сравнительно дешевые ЭПРА, изготавливаемые, в основном, в странах азиатско-тихоокеанского региона. Понятно, что существенно снизить цену аппаратов можно только за счет упрощения их схем, а это возможно лишь при условии исключения некоторых функций. «Дешевые» аппараты обеспечивают работу люминесцентных ламп, но обладают целым рядом существенных недостатков:

1. Включение ламп, как правило, производится без предварительного прогрева электродов, что при частых включениях приводит к сокращению срока службы.

2. В «дешевых» аппаратах нет стабилизации режима ламп при колебаниях сетевого напряжения.

3. Как правило, в «дешевых» аппаратах нет компенсации реактивной мощности, что требует использования внешних компенсирующих конденсаторов.

4. Нет коррекции формы потребляемого тока, поэтому аппараты не соответствуют требованиям Европейских и Российских норм по электромагнитной совместимости.

5. Большинство «дешевых» аппаратов не может работать на постоянном токе, что препятствует их использованию в светильниках аварийного освещения.

6. Срок службы «дешевых» аппаратов примерно в два раза меньше.

7. В некоторых аппаратах недостаточное сглаживание пульсаций выпрямленного сетевого напряжения приводит к заметной модуляции высокочастотного напряжения, подаваемого на лампу. В результате этого не устраняется один из главных недостатков стартернодроссельных схем – большая глубина пульсаций светового потока.

     Эти недостатки приводят к увеличению эксплуатационных расходов в осветительных установках с такими аппаратами и сводят на нет выигрыш в цене по сравнению с высококачественными ЭПРА. Кроме того, производители светильников часто оказываются в неловком положении, так как светильники не соответствуют требованиям нормативных документов (в частности, по электромагнитной совместимости и cos φ).