Зачем нужен балласт

Классическая схема питания люминесцентной лампыСовременные осветительные приборы — это не только эффективные лампы, но еще и пускорегулирующая аппаратура, надежная и экономичная, продлевающая «жизнь» лампе, не шумящая, не создающая мерцающего света и не мешающая работе электронной техники. Выполнение всех этих условий возможно только с помощью передовых достижений мировой электроники. Поэтому данный раздел можно считать логическим продолжением предыдущего, поскольку она расскажет читателю о перспективной пуско-регулирующей аппаратуре, и, в частности, об электронных балластах люминесцентных ламп.

Начнем главу с важного факта. Внимание, читатели: начиная с 2006 года в странах Европейского сообщества разрешается применять светильники с люминесцентными лампами, оснащенными преимущественно электронными балластами. Соответственно, находящие в эксплуатации классические балласты должны заменяться на новые. Чем же плохи классические дроссельные балласты, прослужившие людям «верой и правдой» не один десяток лет? Мы немного отложим ответ на этот вопрос, а пока предварим его разъяснением, для чего нужен балласт люминесцентной лампе и как он работает.

Обычно в бытовых разговорах словом «балласт» обозначают что-то ненужное, лишнее, мешающее движению вперед. Но в электротехнике «балластом» называют элемент, который по своему функциональному назначению предназначен для ограничения каких-либо параметров, их «торможения». На рисунке показана классическая электрическая схема люминесцентного светильника, в которой балластным сопротивлением включена индуктивность (дроссель) L.

Холодная люминесцентная лампа EL имеет высокое сопротивление между своими электродами, поэтому при включении напряжение сети, проходя через накальные электроды лампы, целиком падает на ключевом элементе стартера SF. Ключевой элемент KЛ представляет собой биметаллическую пластину, замыкающую цепь в нагретом состоянии и в холодном состоянии ее размыкающую. Поскольку на электродах ключа KЛ появляется разность электрических потенциалов, газ в колбе стартера ионизируется и разогревает биметаллическую пластинку. В какой-то момент ключ KЛ замыкается и появившийся в цепи электрический ток начинает «накачивать» в дроссель энергию, но, более того, этот ток разогревает накальные спирали люминесцентной лампы EL. Разогретым электродам присущ эффект термоэлектронной эмиссии, который известен читателю по электронным лампам, кинескопам, вакуумным индикаторам. В газе, наполняющем баллон лампы, появляются свободные заряды. Одновременно с этим в баллоне стартера ионизация газа пропадает, биметаллическая пластина охлаждается, и ключ КЛ размыкается. Энергия, накопленная в индуктивном элементе L, переходит в заряд конденсатора СЗ по закону:

Li²L = ΔU²ELC3,

где iL — ток дросселя;
ΔUEL— изменение напряжения между электродами лампы.

Обычно индуктивность L дросселя стремятся выбрать побольше, а емкость СЗ конденсатора — поменьше, чтобы получить большую амплитуду резонансного броска напряжения на конденсаторе. Этот бросок, величина которого превышает напряжение питания, достаточен для полной ионизации газа внутри баллона люминесцентной лампы и ее зажигания. Зажигание характеризуется резким падением сопротивления газового промежутка люминесцентной лампы. После зажигания стартер оказывается отключенным, поскольку его сопротивление много больше сопротивления горящей лампы. Дроссель же, являясь индуктивным сопротивлением, поддерживает рабочее напряжение на электродах лампы, так как сопротивление «горящего» промежутка становится малым. Увеличение напряжения на электродах зажженной лампы приводит к возрастанию тока через нее, а, следовательно, к нагреву баллона и быстрому его разрушению, так что излишний ток нужно «гасить» балластом. Номенклатурный ряд балластов трубчатых люминесцентных ламп разработан давно. Определяющим параметром здесь является мощность лампы, по величине которой и подбирается конкретный дроссель.

Схема содержит также конденсатор электромагнитной совместимости С1, подавляющий электромагнитные помехи, возникающие при работе лампы, а также цепочку С2, R, называемую пассивным корректором коэффициента мощности. Здесь нам опять необходимо дать некоторые пояснения на примере включенной в сеть активно-реактивной цепи, которая и составляет основу ПРА люминесцентной лампы.

На рисунке показана электрическая цепь, состоящая из активного сопротивления R (эквивалент лампы), а также дросселя L (балласт), и подключенная к сети переменного тока. С помощью приборов PA, PV и PW мы будем измерять соответственно ток в цепи IH, напряжение UH и активную мощность Р, выделяющуюся на элементах цепи.

Активно-реактивная цепь, включенная в сеть переменного тока

Произведение тока и напряжения, измеренных приборами РА и PV по отдельности, называется полной мощностью (S), потребляемой электрической цепью и измеряемой в «вольт-амперах» (ВА):

S = Uinii

В то же время по прибору PW мы непосредственно измеряем активную мощность (Р) в цепи в ваттах (Вт). В чем отличие полной и активной мощности друг от друга? Давно известно, что любой реактивный элемент, будь то катушка индуктивности или конденсатор, «двигают» фазу тока относительно фазы напряжения, то есть максимум тока в активно-реактивной цепи не совпадает с максимумом напряжения, подводимого к ней. Поэтому полная мощность, подведенная к такой цепи, не равна активной мощности, выделяющейся на ее активных элементах. Отношение же мощностей PF определяемое из формулы:

PF = P / S

называется коэффициентом мощности (power factor) цепи. Очевидно, что коэффициент мощности не может быть больше 1. Для чисто активной нагрузки, когда максимум напряжения совпадает с максимумом тока, коэффициент мощности равен единице, во всех остальных случаях PF меньше единицы. Чем плохи нагрузки с низким PF? Тем, что реактивную мощность не удается использовать для совершения полезной работы, но, тем не менее, она потребляется от источника, что заставляет увеличивать его полную отдаваемую мощность, выбирать более мощное оборудование, наращивать сечение подводящих проводов. Нескорректированный электронный балласт имеет коэффициент мощности близкий к 0,5 (фазы тока и напряжения сдвинуты друг относительно друга). Поэтому здесь необходимо введение специального устройства, называемого корректором коэффициента мощности (power factor corrector), которое позволит приблизить потребление тока к наблюдаемой при включении в сеть чисто активной нагрузки. В данном случае мы обойдемся конденсатором, а в электронных балластах коэффициент мощности будет корректировать электронная схема.

Если по каким-либо причинам лампа не зажигается (например, слишком рано происходит размыкание биметаллического контакта стартера, или он износился в процессе эксплуатации), лампа входит в аварийный режим работы, который сопровождается вспышками фальш-старта, визуально выражающегося как ряд вспышек перед стабильным зажиганием. Фалыш-старт резко снижает срок службы люминесцентной лампы по причине сокращения ресурса накальных спиралей.