Как проверить балласт для люминесцентных ламп

Подключение и ремонт баластника для люминесцентных ламп

Балласт для газоразрядной лампы (люминесцентные источники света) применяется с целью обеспечения нормальных условий работы. Другое название – пускорегулирующий аппарат (ПРА). Существует два варианта: электромагнитный и электронный. Первый из них отличается рядом недостатков, например, шум, эффект мерцания люминесцентной лампы.

Второй вид балласта исключает многие минусы в работе источника света данной группы, поэтому и более популярен. Но поломки в таких приборах тоже случаются. Прежде чем выбрасывать, рекомендуется проверить элементы схемы балласта на наличие неисправностей. Вполне реально самостоятельно выполнить ремонт ЭПРА.

Разновидности изделия
Запуск и схема подключения
Определяем поломки и производим ремонт

Принцип работы

Люминесцентная лампа по принципу действия приравнивается к газоразрядным источникам света, является энергосберегающей. Из стеклянной колбы откачивается воздух и помещается инертный газ с капелькой ртути 30 мг. В противоположные стороны встроены спиральные электроды, напоминающие нить накаливания. Эти электроды припаяны с обеих сторон к двум контактным ножкам, помещенным в диэлектрические пластины. Трубка изнутри покрыта слоем люминофора. Длина, диаметр и форма колбы могут быть разными, внутреннее строение от этого не меняется.

Строение люминесцентной лампы

Включение ЛЛ происходит с помощью пускорегулирующей аппаратуры – электромагнитной или электронной. Электромагнитная пускорегулирующая аппаратура (ЭмПРА) включает в себя главный элемент – дроссель.

Электромеханический дроссель

Это балластное сопротивление в виде катушки индуктивности с металлическим сердечником, последовательно соединенное с ЛДС. Дроссель поддерживает равномерность разряда и корректирует ток при необходимости. В миг включения светильника дроссель сдерживает пусковой ток, пока спиральные нити не разогреются, далее выдает пиковое напряжение от самоиндукции, зажигающее лампу.

Схема люминесцентного светильника с ЭмПРА

Обратите внимание! Дроссель сдерживает ток в системе при включении, предотвращая перегрев спиральных нитей в трубке и их перегорание.

Предъявляемые к балластному сопротивлению требования:

минимальные потери мощности;
малые вес и размер;
отсутствие гула;
температура накала не выше 600 градусов по Цельсию.

Другой значимый элемент ЭмПРА – стартер тлеющего разряда.

Стартер тлеющего разряда

Во время включения светильника в стартере возникает разряд тока, накаляющий биметаллические контакты. Они замыкаются, увеличивая ток в цепи светильника, что ведет к разогреву электродов. Далее биметаллический контакт стартера остывает и размыкает цепь. В этот миг балласт (дроссель) выдает высоковольтный импульс на электроды. Между ними возникает дуговой разряд, вызывающий ультрафиолетовое излучение. От этого люминофор на поверхности колбы светится в видимом для человека спектре.

Люминесцентная лампа с электромагнитным дросселем функционирует в двух режимах: зажигания и свечения.

Электронная пускорегулирующая аппаратура (ЭПРА) используется в светильниках нового поколения, увеличивает срок службы лампы и повышает КПД. В режиме свечения уровень напряжения на электродах допускает работу ЛЛ с перегоревшими спиралями, что невозможно при ЭмПРА. В схеме ЭПРА исключается использование стартеров.

Схема подключения электронного балласта

Электронные балласты достаточно дорогие и сложны для ремонта своими силами, поэтому имеет место широкое применение электромеханических дросселей.

Электронный балласт

Важно! Лампа с электронным балластом функционирует в четырех режимах: включения, предварительного разогревания, зажигания и горения.

Электронный ПРА (балласт). Принцип работы.

Преимущества электронных ПРА

Электронный ПРА — балласт, спасающий лампу. В статье, ниже рассмотрим принцип построения, работу и элементную базу электронных балластов.

Электромагнитный ПРА (дроссель-стартер) имеет массу недостатков: надоедливое жужжание, непроизвольные вспышки и частое мерцание, исходящие от светильников использующих ЛЛ.

Основным и единственным его преимуществом является его дешевизна. Но за низкой ценой дросселя и стартера скрываются высокие эксплуатационные расходы и масса неприятных факторов, влияющих на здоровье людей.

Директивой Европейской комиссии №2000/55/ЕС предписан запрет на продажу и применение электромагнитных ПРА с целью ускорения повсеместного внедрения ЭПРА (электронных балластов) в странах Евросоюза. В США от использования электромагнитных балластов отказались еще раньше.

Директива комиссии ЕС о запрещении использования электромагнитных ПРА, возможно с некоторой задержкой, но неизбежно окажет влияние на принятие аналогичных решений и в России. Отрадным выглядит опыт Белоруссии. Там уже разработаны и сегодня действуют новые СНиППы, запрещающие устанавливать ПРА (стартеры и дроссели) в дошкольных и школьных учреждениях, учебных заведениях и больницах, а также на предприятиях, где требуется качественное освещение.

Бурное развитие электронной промышленности позволило создать электронный ПРА, обеспечивший совершенно новое качество работы люминесцентных ламп и светильников.

Широкое использование электронных ПРА (они же ЭПРА, они же электронные балласты) связано с рядом их существенных преимуществ по сравнению с электромагнитными ПРА. Разделим их на четыре группы.

Группа 1 — влияние на здоровье:

приятный немерцающий свет без стробоскопических эффектов и отсутствие шума благодаря работе в диапазоне 30—100 кГц;
слабое электромагнитное поле.

Группа 2 — комфортность:

надежное и быстрое (без мигания) зажигание ламп;
стабильность освещения независимо от колебаний сетевого напряжения;
возможность регулировки светового потока;
отключение по истечении срока службы лампы.

Группа 3 — экономичность:

высокое качество потребляемой электроэнергии — близкий к единице коэффициент мощности благодаря потреблению синусоидального тока с нулевым фазовым сдвигом (при использовании активного корректора мощности);
уменьшенное на 20 % энергопотребление (при сохранении светового потока) за счет повышения светоотдачи лампы на повышенной частоте и более высокий КПД ЭПРА по сравнению с классическими электромагнитным ПРА;
увеличенный на 50 % срок службы ламп благодаря щадящему режиму работы и пуска;
снижение эксплуатационных расходов за счет сокращения числа заменяемых ламп и отсутствия необходимости замены стартеров;
дополнительное энергосбережение до 70 % при работе в системах управления светом.

Читать еще: Как прозвонить мультиметром

Группа 4 — экологичность:

меньшее количество отходов ламп (на 30 %) за счет увеличения срока службы ЛЛ.

Основные направления развития ПРА

В настоящее время ассортимент ЭПРА насчитывает десятки типоразмеров, отличающихся количеством и мощностью используемых с ними ламп, наличием или отсутствием возможности регулирования светового потока, характером включения ламп (с предварительным прогревом электродов или без него), наличием функции защиты аппарата и электросети от возможных аварийных ситуаций. При всем кажущемся многообразии схемные решения современных ЭПРА ведущих мировых производителей, в принципе, одинаковы (рис. 3.12).

Одной из ведущих компаний в разработке и производстве контроллеров для управляющего каскада остается Int. Rectifier, США. Однако последнее время серьезную конкуренцию им оказывают компании THOMSON и PHILIPS.

OSRAM и TRIDONIC для уменьшения номенклатуры изделий приступили к выпуску унифицированных ЭПРА, предназначенных не для одного типа ламп, а для всей серии ламп различной мощности. Аппараты Quicktronic-Multiwatt от OSRAM могут работать с люминесцентными лампами 17 типоразмеров мощностью от 18 до 64 Вт и позволяют создавать более 100 комбинаций из линейных, компактных или кольцевых ламп. Но эти ЭПРА не обеспечивают плавное регулирование мощности ламп.

Серьезные разработки ведутся на пути создания систем управления освещенности, которые действительно решают задачи повышения комфортности и экономии электроэнергии. Австрийская компания TRIDONIC продвигает на рынок так называемые управляемые ЭПРА, позволяющие управлять мощностью светового потока. К примеру, аппараты серии EXCEL позволяют управлять мощностью ламп любым из четырех способов: простым кнопочным включением, с помощью датчика освещенности, цифровых сигналов стандарта DSI и цифрового сигнала стандарта DALI.

Использование ЭПРА с датчиками освещенности, присутствия и времени позволяет сэкономить до 70 % электроэнергии, расходуемой на освещение. Учитывая, что доля люминесцентных светильников административных помещений составляет до 50 % от общего энергопотребления в этих помещениях, внедрение систем управления освещением позволяет сэкономить десятки киловат-часов в год. На текущий момент эти системы весьма дороги и широкого применения не находят.

Электрические параметры ЭПРА

Электрические параметры ЭПРА различных фирм практически одинаковы:

КПД — от 80 до 90%;
коэффициент мощности — не ниже 0,98;
широкий диапазон напряжений питания.

Отечественные электронные ПРА

В линейке ЭПРА имеются аппараты с холодным пуском (не более пяти включений в день) и с предварительным прогревом электродов (с неограниченным включением в день).

Относительно производства ЭПРА в России следует заметить, что хорошие схемные решения время от времени предлагали компании «Элекс-Электро» (г. Александров), «Трансвит» (г. Великий Новгород), «Ситэл» (г. Москва), «Орбита» (г. Саранск) и др.

Однако на сегодняшний день пока ни одной из российских компаний не удалось наладить стабильное производство качественного и конкурентоспособного продукта. Причины этого кроются в отсутствии финансирования, низкой квалификации рабочего персонала, а также в неспособности создания процесса производства в целом. Заслуживает внимания, пожалуй, только одна компания — ОАО «ЭНЭФ»(Беларусь). Ее ассортиментная линейка состоит из 117 видов ЭПРА (включая ЭПРА для ламп Т5 и регулируемые балласты).

Несомненно, ведущие западные компании-производители ЭПРА, хорошо понимая перспективы российского рынка, предлагают широкий выбор этих изделий. Уже несколько лет назад отметились своим присутствием в нашей стране компании OSRAM, HELVAR, TRIDONIC, VOSLOH SCHWABE, PHILIPS и др.

Сегодня ни у кого не вызывает сомнения, что в ближайшие 3—5 лет ЭПРА полностью вытеснят с рынка неэкономичные и вредные для здоровья электромагнитные балласты. Кстати, многие, кто умеет считать деньги и ценят свое здоровье и здоровье других, уже давно поменяли в используемых светильниках стартеры и дроссели на современные ЭПРА.

Структурная схема электронного балласта

Рассмотрим принцип работы простого электронного балласта на примере микросхемы IR2153. На структурной схеме электронного балласта (см рис. ниже) точка «А» подключается с помощью ключей Кл1 и Кл2 то к напряжению питания (U_n = 4-310 В), то к общему проводу. Ключи, перезаряжая конденсатор, образуют переносное напряжение. В результате в точке «А» возникают однополярные высокочастотные импульсы напряжения (частота коммутации обычно находится в пределах 30—100 кГц), которые, во-первых, зажигают лампу, а, во-вторых, не дают газу деиони-зироваться (отсутствие мерцания).

Примечание

При таком методе пуска и управления полностью исключен фальстарт, поскольку лампа гарантированно коммутируется на постоянное напряжение, провалы которого принципиально отсутствуют. Сокращаются размеры индуктивного элемента. Регулировкой скважности (или фазы) импульсов коммутации можно добиться изменения яркости свечения.

Как зажечь лампу?

Чтобы зажечь лампу, нужно разогреть ее электроды. Поскольку в схеме электронного балласта отсутствует стартер, необходимо каким-то образом первоначально замкнуть силовую цепь, чтобы протекающий ток разогрел электроды, а затем схему пуска отключить.

В лампах небольшой мощности (единицы ватт) первоначальное замыкание цепи можно осуществить при помощи конденсатора С. Однако этот путь достаточно противоречив, поскольку для разогрева желательно иметь как можно большее значение емкости, в то время как для возникновения хорошего резонансного эффекта выбирать эту емкость слишком большой нельзя.

Читать еще: Как сделать реверс на трехфазном двигателе

Разработчики поступили следующим образом. Они включили параллельно конденсатору термистор с положительным температурным коэффициентом РТС— позистор. В холодном состоянии сопротивление позистора мало, и ток разогревает электроды лампы. Вместе с электродами разогревается и позистор.

При определенной температуре сопротивление позистора резко повышается, цепь разрывается, и индуктивный выброс зажигает лампу. Позистор шунтируется низким сопротивлением горящей лампы. Использование позистора позволяет лампе зажигаться плавно и снижает износ электродов, что продлевает срок службы лампы до 20 тыс. ч.

Существует также метод предварительного прогрева катодов (более прогрессивный), заключающийся в том, что при прогреве частота драйвера выше резонансной частоты питания лампы. В результате лампа сначала прогревается и только после того, как частота драйвера снижается до резонансной, — поджигается.

Микросхемы управления балластами

Наиболее дешевые (китайско-польские) электронные балласты работают в автогенераторном режиме и собираются из дискретных элементов. Отсюда наличие нескольких сложных намоточных элементов — трансформаторов, большие габариты печатных плат, низкая надежность, сложность настройки.

Ведущие фирмы-разработчики выпускают довольно широкий перечень микросхем управления балластами. Существуют как микросхемы, требующие наличия внешних силовых транзисторов, так и модификации, в которых силовые ключи интегрированы в один корпус со схемой управления. Такие балласты довольно миниатюрны.

Совсем недавно появилось новое поколение микросхем управления электронными балластами, обладающее многими сервисными и защитными функциями. К сожалению, отечественные разработки микросхем управления электронными балластами находятся в зачаточном состоянии; поэтому приходится рассказывать лишь о том, как преуспели на этом рынке зарубежные фирмы-производители силовой электроники.

Фирма International Rectifier производит микросхемы IR2156, IR2157, IR2159, IR2166, IR2167, IR2520, требующие внешних силовых транзисторов, и микросхемы IR5xHxx с интегрированными силовыми ключами.

Фирма STMicroelectronics производит микросхемы L6569, L6571, L6574.

Фирма Motorola — МС2151, MPIC2151, MC33157DW. Фирма Unitrode (Texas Instilments) — UC3871, UC3872. Фирма PHILIPS — UBA2014, UBA2021, UBA2024.

Микросхемы имеют в своем составе:

цепь управления затвором верхнего ключевого транзистора с вольтдобавкой;
схему защиты от сквозных токов (защитная пауза 1,2 мкс);
узлы стабилизации внутреннего питания;
схему защиты от пониженного напряжения сети.

Кроме того, новое поколение микросхем MC33157DW, L6574, UBA2021, UBA2024, IR2157, IR2159, IR2166, IR2167, IR2520 реализует:

возможность установки времени прогрева накальных электродов;
возможность установки скорости зажигания лампы за счет введения плавающей задающей частоты;
возможность установки задержки включения силовых ключей;
дополнительную защиту от незажигания лампы и включение защитного режима в момент ее отказа;
защиту при перегорании накальных электродов и контроль наличия вставленной лампы;
защиту от зажигания на частоте ниже резонансной;
защиту от падения сетевого напряжения;
автоматический перезапуск при кратковременном пропадании сетевого напряжения;
защиту от перегрева кристалла.

Добавлю, что микросхема IR2159 является диммером — умеет регулировать яркость лампы (фазовый метод регулировки).

Микросхемы IR2166, IR2167 имеют встроенный корректор коэффициента мощности.

Программы для проектирования электронных балластов

Для упрощения и ускорения проектирования новых поколений электронных балластов (IR2156, IR2157, IR2159, IR2166, IR2167) к лампам разной мощности и типов разработаны как детальные рекомендации Reference Designs, так и ПО САПР IRPLBDA4 (International Rectifier Lighting Ballast Design Software v.3), обеспечивающее почти полную автоматизацию проектирования вплоть до перечня элементов схемы. САПР сегодня поддерживает 36 типов ламп и 7 различных конфигураций балласта, а также дает возможность добавлять новые. Более чем 20 параметров, включая частоту, напряжение, ток и номиналы компонентов, выбираются пользователем. О проектировании с помощью этой программы будет рассказано в следующей статье:

Схема простого электронного балласта на IR53HD420

Источник: Давиденко Ю. Н. 500 схем для радиолюбителей. Современная схемотехника в освещении. Эффективное электропитание люминисцентных, галогенных ламп, светодиодов, элементов «Умного дома»

Ремонт и замена ЭПРА

Неисправностей светильников два вида: сгоревшая лампа и неисправный блок. Лампочка подлежит замене, а неисправный электронный баластник можно отремонтировать или заменить новым.

Ремонт ЭПРА

Для того чтобы выполнить ремонт люминесцентных светильников и устранение неполадок в ЭПРА, необходимы начальные навыки ремонта электронной аппаратуры:

Проверить и заменить предохранитель. В некоторых моделях для этого используется резистор номиналом 1-5 Ом. Вместо него припаивается кусочек тонкой проволоки;
Производятся визуальный осмотр и проверка тестером элементов платы;
Оценить стоимость неисправных деталей. При условии, что она ниже цены нового ЭПРА, произвести ремонт электронного балласта.

Замена электронного ПРА

Неисправный электронный дроссель меняется на новый. Это может быть готовая плата или схема из сгоревшей энергосберегающей лампочки. Используя такую плату, можно выполнить ремонт светильников с люминесцентными лампами или сделать люминесцентный светильник своими руками.

Принцип работы и запуск компактной люминесцентной лампы аналогичен обычным трубчатым ЛДС. Плата, которая находится внутри неё, без проблем управляет обычной лампой дневного света.

Важно! Мощность энергосберегающей лампы должна быть равна или больше мощности люминесцентного светильника.

Как проверить плату КЛЛ:

Разобрать пластмассовый корпус. Он состоит из двух половин, соединённых защёлками. В щель просовывается нож и проводится по кругу;
На плате находятся четыре штырька с намотанными проволочками, расположенные парами. Это нити накала. Они прозваниваются тестером;
Если нити целые, то поломка в плате. Проводки разматываются, и колба отсоединяется для использования с платой от другой КЛЛ;
Если одна из нитей накала оборвана, то плата отсоединяется и подключается вместо сгоревшего электронного баластника в люминесцентный светильник. При установке её необходимо изолировать от металлического корпуса и зафиксировать клеевым пистолетом или силиконовым герметиком.

Читать еще: Как устроен генератор переменного тока

Важно! Ремонт люминесцентных ламп выполняется при отключенном напряжении.

Использование электронных баластников в люминесцентных лампах увеличивает их срок службы и делает освещение более приятным. Это альтернатива замене таких светильников на КЛЛ.

ЭПРА для компактных ЛДС

Сравнительно недавно стали широко использоваться в быту люминесцентные энергосберегающие лампы, адаптированные под стандартные патроны для простых ламп накаливания – Е27, Е14, Е40. В этих устройствах электронные балласты находятся внутри патрона, поэтому ремонт этих ЭПРА теоретически возможен, но на практике проще купить новую лампу.

На фото показан пример такой лампы марки OSRAM, мощностью 21 ватт. Следует заметить, что в настоящее время позиции этой инновационной технологии постепенно занимают аналогичные лампы со светодиодными источниками. Полупроводниковая технология, непрерывно совершенствуясь, позволяет быстрыми темпами достигнуть цены на ЛДС, стоимость которых остается практически неизменной.

Лампа OSRAM с цоколем E27

Почему перегорают люминесцентные лампы?

Сама лампа представляет собой стеклянную колбу различной геометрической формы, изготовленную из хрупкого кварцевого стекла. Ее внутренние стенки покрыты люминофором – материалом, способным преобразовывать спектр излучения ультрафиолетовых длин волн в видимую часть излучения – дневную. Кварц со временем теряет свою прозрачность.

Внешние механические воздействия на колбу могут привести к появлению в ее структуре микротрещин, следствием которых может быть попадание в герметичную полость воздуха. Это приводит к перегоранию ЛДС. Для свечения необходим тлеющий разряд внутри корпуса, который обеспечивают катоды устройства, представляющие собой вольфрамовые нити накаливания в виде разогреваемых электрическим током спиралей.

Они покрыты слоем щелочного металла для продления срока службы лампы, который при частом ее включении-выключении осыпается. Это, в свою очередь, приводит к перегреву катода и выходу его из строя. Со временем уменьшается эмиссия электрода или его способность испускать электроны со своей поверхности. Их количество уже не способно поддержать тлеющий разряд.

Функции пускорегулирующей аппаратуры

Многие лампы дневного света до сих пор работают с электромагнитной пускорегулирующей аппаратурой – ЭмПРА, она же балласт. Простейшее устройство этого типа является обычным индуктивным сопротивлением, в состав входит металлический сердечник с намотанным на него медным проводом. Такая конструкция вызывает заметную потерю мощности, сопровождающуюся выделением большого количества теплоты.

Самая простая и дешевая – схема ЭмПРА со стартером. Ее работа осуществляется следующим образом. После включения питания, напряжение через обмотку дросселя и вольфрамовые нити поступает на электроды стартера. Сам стартер представляет собой небольшую колбу, наполненную газом. Под действием напряжения происходит образование тлеющего разряда. Начинается свечение инертного газа и его одновременный нагрев. Это приводит к включению контактов биметаллического датчика и образованию в цепи замкнутого контура, обеспечивающего нагрев нити самой лампы. Затем начинается процесс термоэлектронной эмиссии.

На электродах стартера напряжение падает, уменьшается и разряд с одновременным понижением температуры. Контакты биметаллической пластины размыкаются, и подача тока прекращается. В работу включается дроссель, в котором образуется ЭДС самоиндукции. За счет этого между нитями накала возникает кратковременный разряд, достигающий нескольких тысяч вольт. Он пробивает среду инертного газа с ртутными парами, что приводит к появлению дуги, испускающей свет. В этот период стартер уже не работает, а дроссель за счет индуктивного сопротивления выполняет функцию ограничения тока, чтобы избежать перегорания элементов схемы.

В настоящее время появилась электронная пускорегулирующая аппаратура – ЭПРА, которая стала более совершенной и работоспособной. Данные устройства монтируются непосредственно в осветительные приборы, поскольку являются компактными и занимают очень мало места. Срок эксплуатации ламп с такой аппаратурой существенно увеличился. Свет стал более ровным и качественным, в нем полностью отсутствуют мерцания, пагубно влияющие на зрение.

Электроды разогреваются очень быстро, буквально за доли секунды, после чего наступает плавное включение освещения. Так же легко светильники включаются и при низких температурах. Розжиг осуществляется под действием импульса высокого напряжения, затем начинается ровное горение при постоянной повышенном напряжении.

Основой схемы ЭПРА служит двухтактный преобразователь напряжения, которые может иметь полумостовую или мостовую конструкцию. В большинстве случаев используется первый вариант, в котором напряжение выпрямляется диодным мостом, после чего его сглаживает конденсатор до значения постоянного напряжения. Высокая частота создается полумостовым инвертором.

Также в схеме имеется трансформатор с тремя обмотками: основная подает напряжение к лампе, а две дополнительные выполняют открытие ключей на транзисторах.

Схемы подключения

Разработка такого электронного устройства велась для минимизации конструкции светильника и замещения крупногабаритного дросселя и стартера одним единственным модулем, который подключается к сети питания переменного тока и к электродам люминесцентного источника света.

ЭПРА лишены всех минусов классических схем подключения.

Существуют модули, предназначенные для одновременного подключения четырех ламп.