CONTROLUL ELECTRONIC AL LAMPILOR FLUORESCENTE CU VAPORI DE MERCUR

controlul electronic Al LampiLOR fluorescente cu vapori de mercur

1. Probleme generale

Iluminatul fluorescent este larg raspandit in medii industriale, in obiective publice si sociale datorita eficacitatii luminoase net superioare fata de iluminatul incandescent. Dar economiile de energie realizate aduc si cateva dezavantaje: cost mai ridicat al instalatiei, un spectru luminos discontinuu (efectul de flicker), gabarit si greutate apreciabile, factor de putere scazut, forme de unda nesinusoidale ale curentului si incompatibilitatea cuplarii la o magistrala de date/control. Aceste neajunsuri sunt eliminate prin utilizarea balasturilor electronice, mai ales ca in prezent costul acestora (ponderat cu economiile de energie) a devenit competitiv cu cel al balasturilor conventionale.

Spre deosebire de lampile cu incandescenta, pentru lampile fluorescente frecventa tensiunii de alimentare reprezinta un parametru important. Practic, iluminatul fluorescent depinde de o serie de conditii specifice intre care exista o anumita corelare: frecventa tensiunii de alimentare, temperatura peretelui exterior al lampii, tipul balastului folosit.

2. Efecte ale cresterii frecventei tensiunii de alimentare

Cresterea frecventei de alimentare a lampilor fluorescente conduce la efecte pozitive precum:

a) Cresterea eficacitatii luminoase a lampilor fluorescente odata cu frecventa tensiunii de alimentare depinde de tipul balastului folosit (fig.16.1). Diferente notabile se inregistreaza in domeniul de frecvente 50 .. 300 Hz. La frecvente mai mari, diferentele devin neimportante si lampile vor avea, indiferent de balastul folosit, o valoare a eficacitatii luminoase superioara valorii nominale a acesteia, care corespunde alimentarii la 50 Hz si notata cu h_lN

Analizand corelat eficacitatea luminoasa a lampii, temperatura mediului ambiant si frecventa tensiunii de alimentare, vor rezulta zone de optim specifice celor trei tipuri de balast. Cercetarile facute in acest sens au aratat ca, indiferent de tipul balastului folosit, influenta cresterii tensiunii de alimentare este mai redusa la temperaturi de peste 50 C, iar o crestere a frecventei peste 3 kHz are o influenta neglijabila.

Cresterea eficacitatii luminoase a lampii fluorescente odata cu frecventa tensiunii de alimentare este datorata reducerii pierderilor de putere, atat in coloana descarcarii electrice cat si in echipamentele auxiliare. Lampile fluorescente alimentate cu tensiuni de frecventa ridicata, f>1kHz, se comporta ca rezistente pur ohmice deoarece fenomenele de ionizare din tub tind sa capete un caracter cvasistationar. La o putere data a lampii, fluxul luminos (fig.16.2) creste proportional cu frecventa tensiunii de alimentare intrucat se majoreaza atat puterea radiata, cat si procentul radiatiilor de rezonanta ale mercurului cu λ₂ = 253,7 nm.

Pentru a pune in evidenta reducerea pierderilor de putere in coloana descarcarii se face apel la caracteristica dinamica u_a = f(i_a) a lampii fluorescente. Aceasta caracteristica este prezentata comparativ in fig.16.3, la 50Hz pentru lampa fluorescenta cu toate tipurile de balast si la 5 kHz pentru balastul inductiv.

Indiferent de tipul balastului folosit, suprafata inchisa de caracteristica dinamica a lampii depinde de marimea pierderilor pe rezistenta electrica a plasmei. Valoarea acesteia depinde de starea de ionizare a vaporilor de mercur din incinta si nu are o variatie liniara. La frecvente de alimentare crescute se amplifica gradul de ionizare al vaporilor de mercur (numar mai scazut de recombinari), iar coloana pozitiva a descarcarii electrice se prelungeste in detrimentul spatiului dintre aceasta si catod. Astfel, rezistenta ohmica si pierderile pe coloana scad, iar puterea radiatiei emise de descarcare creste.

b) Scaderea tensiunii de aprindere. Tensiunea de aprindere a lampii U_ap este o functie care depinde de frecventa tensiunii de alimentare f, temperatura mediului ambiant q_a (si, prin urmare, de temperatura peretelui de sticla), tipul balastului folosit si valoarea curentului de incalzire a filamentelor lampii fluorescente. Totodata tensiunea de aprindere depinde si de diametrul tubului din sticla sau de natura amestecului gazos din acesta, ambii parametri constructivi influentand direct regimul termic al lampii.

In general, tensiunea de aprindere a lampii scade odata cu cresterea frecventei tensiunii de alimentare. De aceea, toate sistemele de alimentare la inalta frecventa practica montaje fara starter, iar balastul nu mai este dimensionat sa asigure tensiunea de aprindere.

Spre exemplu, greutatea balastului inductiv folosit la 3kHz este 30%, iar la 30kHz este 3% din cea a balastului similar folosit la 50Hz. In schimb materialul miezului magnetic (tola sau ferita) trebuie sa aiba o calitate superioara. La randul sau, condensatorul balastului capacitiv folosit la 1kHz are capacitatea de 1mF fata de cel folosit la 50Hz care tinde spre 10mF.

Miniaturizarea balasturilor obtinute prin montaje electronice a condus la aparitia lampilor fluorescente compacte (LFC), ce tind sa inlocuiasca lampile clasice cu incandescenta fiind de 3-4 ori mai eficiente si avand o durata de viata de cca. 5 ori mai mare.

c) Cresterea duratei de functionare odata cu cresterea frecventei tensiunii de alimentare este insotita de mentinerea fluxului luminos la valoarea initiala un timp mai indelungat (diminuarea factorului de depreciere).

In concluzie, avantajele alimentarii la inalta frecventa a lampilor fluorescente sunt urmatoarele:

- eficacitatea luminoasa creste cu cca. 10% fata de alimentarea in 50Hz;

- tensiunea de aprindere scade si usureaza folosirea montajelor fara starter;

- scad dimensiunile si greutatea balastului;

- creste durata utila de functionare a lampii;

- este eliminat efectul de flicker (sau efect stroboscopic - oscilatiile rapide ale fluxului luminos cu efect nociv asupra sanatatii) datorita inertiei termice a plasmei care o impiedica sa urmareasca variatiile rapide ale plasmei;

- este diminuata radiatia calorica.

Dezavantajele principale sunt:

- pretul de cost mai ridicat;

- o scadere a stabilitatii arcului electric la frecvente mai ridicate;

- aparitia uneori a unor zgomote suparatoare (tiuituri), in special la 1 kHz.

3. Surse de alimentare la frecventa ridicata

Alimentarea lampilor fluorescente la inalta frecventa se realizeaza in grup sau individual.

Alimentarea in grup este adecvata instalatiilor insularizate cu distributie in c.a. de frecventa inalta (de exemplu, la nave, avioane sau trenuri). In aceste cazuri se foloseste direct frecventa de distributie (uzual 400Hz) obtinuta de la sursele proprii (generatoarele rotative) ale vehiculului.

Alimentarea in grup se mai intalneste in unele cazuri speciale in care, desi este prezenta reteaua industriala de 50Hz, se prefera alimentarea centralizata la frecventa ridicata si cu posibilitati de reglare a fluxului luminos (sali de spectacol, amfiteatre etc.) caz in care sursele sunt practic invertoare de putere.

Alimentarea individuala este preferata in instalatiile insularizate de putere instalata redusa ( 200W) si la care sursa de energie este una de c.c. (automobile, autocare, trenuri unde se folosesc tensiuni de 12, 24 sau 36Vc.c.). De asemenea, putem vorbi de alimentare individuala in cazul lampilor fluorescente compacte (LFC). In acest caz, fiecare lampa este prevazuta cu propriul invertor, cuplat unde este cazul cu un transformator ridicator de tensiune.

Circuitul de sarcina al surselor de alimentare la IF este practic un circuit rezonant format din doua reactante, una inductiva si cealalta capacitiva, montate in serie si respectiv in paralel cu lampa (fig.16.4). Indiferent daca este inductanta sau capacitate, elementul serie indeplineste si rolul de balast.

Exista deci doua categorii de surse electronice (balasturi electronice), in functie de tipul sursei de energie: invertoare CC/CA pentru surse de curent continuu si convertoare CA/CA care permit conectarea lampii direct la reteaua furnizorului (230V, 50Hz). Topologia acestora este de obicei de doua tipuri:

- scheme de tip fly-back (fig.16.5) care nu sunt deosebit de utilizate datorita supratensiunilor importante care apar in regim tranzitoriu si care impun utilizarea unor tranzistoare de putere de tensiune ridicata, relativ scumpe. In plus, aceasta topologie nu permite limitarea pierderilor in comutatie a tranzistoarelor si are deci o eficienta mai scazuta.

- scheme rezonante sursa de tensiune (fig.16.6) care sunt relativ simple si usor de pus in practica, fara sa antreneze inconveniente majore. Ele sunt cele mai folosite si utilizeaza o structura de tip "semi-punte" care alimenteaza circuitul de sarcina rezonant serie L-C. Comanda elementelor de comutatie ale structurii "semi-punte" se poate realiza atat cu elemente discrete (comanda "switch"-urilor facandu-se cu un transformator, de obicei toroidal) cat si, mai nou, cu circuite integrate specializate. Circuitul oscileaza neamortizat producand o unda dreptunghiulara cu frecventa de 10-80kHz care alimenteaza circuitul de sarcina rezonant. Energia necesara pentru comanda tranzistoarelor este luata din circuitul de sarcina (forta).

Alegerea dispozitivelor semiconductoare are o mare influenta asupra marimii si caracterului pierderilor din balastul electronic si are in vedere urmatorii parametri: tensiunea de lucru, curentul de colector si castigul in curent, timpii de comutatie si temperatura jonctiunii.

In trecut de o larga raspandire s-au bucurat invertoarele realizate cu tiristoare, dispozitive care, in aplicatiile de tensiuni ridicate, combina avantajul unui cost propriu redus cu dezavantajul celei mai costisitoare solutii pentru comutator (grupuri de stingere). Este limitat in frecventa, dar prezinta capacitatea de suprasarcina cea mai ridicata.

Circuitele de comanda pentru tranzistoarele bipolare sunt complexe si necesita consumuri de putere deloc neglijabile. In prezent se dispune de dispozitive capabile sa blocheze la 1200 V si sa comute curenti pana la cateva sute de amperi.

Tranzistoarele de tip MOSFET (Metal-Oxid-Silicon-Field-Efect-Transistor) moderne sunt caracterizate de timpi de comutatie foarte scurti (<500 ns), permitand in consecinta frecvente de comutatie foarte mari (deasupra domeniului audio) cu pierderi de comutatie moderate. Ele nu necesita un curent de control al regimului stationar, astfel ca circuitele de comanda pe poarta nu consuma practic putere.

Pentru dispozitivele ce lucreaza cu tensiuni de c.c. mari (>=300 V_cc) si curenti de valoare ridicata, IGBT-urile (Insulated Gate Bipolar Tranzistor), care combina caracteristicile de conductie si comutare ale tranzistoarelor bipolare rapide cu facilitatile de comanda pe grila ale tranzistoarelor cu efect de camp, ofera o alternativa viabila si eficienta de cost fata de tranzistoarele MOSFET de putere.

3.1 Invertoare CC/CA

Atunci cand sursa de energie este de curent continuu se utilizeaza convertoare CC/CA.

Alimentarea unui tub fluorescent de la un acumulator de 12V impune utilizarea unui invertor capabil sa genereze o tensiune suficient de mare pentru aprindere. Schema din fig.16.7 este relativ simpla si se constituie dintr-un oscilator auto-pilotat. La punerea sub tensiune, tranzistorul T este blocat datorita potentialului pozitiv creat de divizorul R₁-R₂. Se stabileste prin primarul transformatorului un curent i₁ care incarca condensatorul C₂ cu polaritatea din figura. La un moment dat potentialul lui C₂ asigura negativarea bazei tranzistorului T, acesta intra in conductie si determina descarcarea lui C₂ prin infasurarea W₂, stabilindu-se curentul i₂. Deci primarul transformatorului este parcurs alternativ de curenti de sensuri opuse generand in secundar o tensiune alternativa. Transformatorul din tole de ferosiliciu. Schema functioneaza la frecventa de rezonanta a grupului W₅ -C₄.

O alta varianta de invertor (fig.16.8) prezinta o schema dimensionata pentru alimentarea unui tub fluorescent de 40W de la un acumulator de 12V. Un multivibrator genereaza impulsuri dreptunghiulare cu frecventa de 20kHz care comanda un tranzistor de putere ce are ca sarcina un transformator ridicator de tensiune. Transformatorul realizat pe miez de ferita este cuplat la tubul fluorescent printr-un cablu ecranat pentru a minimiza perturbatiile electromagnetice emise.

O schema intalnita la iluminatul vagoanelor CFR-calatori (fig.16.9) este cea care lucreaza la cca. 5kHz si are urmatoarele particularitati:

alegerea punctului de functionare pe caracteristica statica a tranzistorilor T₁, T₂, se face cu ajutorul divizorului P-R₁;

varfurile tensiunii induse in infasurarile de polarizare n₂, n₂^* sunt limitate de capacitorul C₂, iar capacitorul C₃ protejeaza jonctiunile emitor-colector de supratensiunile de comutatie;

infasurarea n₅ asigura amorsarea lampii (LFB 40, LFR 40) si anume, cand dioda D₂ conduce la capetele lampii apare o tensiune ridicata, iar odata cu aceasta o diferenta de potential apreciabila intre banda exterioara si electrodul opus (se intensifica si uniformizeaza campul din lampa). Dupa amorsarea lampii, rolul infasurarii n₅ este neglijabil deoarece rezistenta R₂ este mult mai mare decat reactanta capacitiva a capacitorului C₄, ce are rol de balast.

3.2 Convertoare CA/CA

Convertoarele CA/CA sau balasturile electronice permit conectarea lampii direct la reteaua furnizorului (230V, 50Hz). Se realizeaza intr-o structura semipunte si au, in general, un circuit rezonant serie LC la care se conecteaza sursa de lumina. Frecventa de lucru este ridicata (20.80 kHz) si pentru a evita propagarea regimului deformant in retea, montajul se prevede cu filtre de armonici L_fC_f pe intrare. Tranzistoarele T₁, T₂ lucreaza in comutatie si pot fi comandate cu elemente discrete sau circuite specializate, iar initializarea functionarii se face prin triacul D_c.

4. Desfasurarea aplicatiei

Se vor studia schemele balasturilor electronice din laborator;

Se vor face masuratori comparative, referitoare la fluxul luminos, eficacitatea luminoasa si durata de amorsare a montajelor realizate cu mai multe tipodimensiuni de balasturi;

Se vor oscilografia formele de unda ale parametrilor electrici pentru montajele realizate;

Se vor consemna concluziile aferente studiului efectuat.