Для чего нужен балласт?
Газоразрядные лампы, в большинстве, за приятным исключением некоторых типов ксеноновых ламп, которые не используются в аквариумах, имеют отрицательное сопротивление, т.е. увеличение тока, приводит к уменьшению напряжения на лампе. Поэтому, приходится в схему лампы вводить балласт, ограничивающий ток. Также балласт служит и для создание напряжения зажигания лампы, если напряжение питающей сети недостаточно для этого.
По принципу действия балласты для люминесцентных и газоразрядных ламп высокой интенсивности схожи. Безусловно, это не значит, что они взаимозаменяемы. При выборе балласта надо смотреть на тип лампы.
Ниже рассмотрены основные типы и параметры балласта. Данный раздел не является исчерпывающим описанием устройств работы балластов и другой регулирующей аппаратуры и предназначена для того, чтобы дать общее представление о схемах включения ламп.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Типы схем зажигания люминесцентных ламп
По схеме зажигания эти лампы делятся на три типа:
- Схема со стартером (preheat start). Cюда же относятся и те лампы, для зажигания которых надо держать некоторое время кнопку нажатой)
- Бесстартерная схема (rapid start)
- Схема, в которой используется двухэлектродная лампа и не производится подогрева электродов - instant start
Балласты бывают нескольких типов:
- Электромагнитный дроссель (core and coil)
- Электронный, включая высокочастотные.
- Всякие комбинированные (trigger-start и т.д.)
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Параметры балласта
Параметры балласта важны при выборе оптимальной схемы освещения аквариума и, особенно, в случае, когда схема собирается самостоятельно. Ниже рассмотрены некоторые параметры балласта, многие из которых указаны на самом балласте или в каталоге.
Мощность (power)- мощность балласта должна соответсвовать мощности лампы. Нельзя использовать балласт для лампы с мощностью отличной от номинальной. Это приведет либо к выходу лампы из строя, либо к пониженной ее светоотдаче. Некоторые балласты специально предназначены для работы с пониженной мощностью, например, в тех случаях, когда долгий срок работы лампы более важен. Такие балласты называются экономичными (не надо путать их с экономичными лампами (energy savings), которые потребляют меньше мощности и дают меньше света при включении в обычный балласт)
Коэффициент мощности (power factor) - еще называется косинусом угла. Дает представление о том, насколько хорошо используется ток и напряжение сети. У обычного магнитного дросселя. без корректирующего конденсатора, коэффициент мощности около 0.5 (low power factor ballast). Балласт с низким коэффициентом мощности приведет к возрастанию тока в цепи. Большинство современных балластов имеют коэффициент мощности близкий к 0.95-0.97 (high power factor ballast)
Входное напряжение (voltage) - многие современные балласты имеют возможность подключения к сети с различным напряжением. Также надо следить за выбором корректирующего конденсатора для сети с частотой 50 и 60Гц. Современные балласты, особенно электронные, могут компенсировать изменение напряжения питающей сети. В противном случае, световой поток будет резко изменятся и при уменьшении напряжения ниже 80-85% номинального лампа может погаснуть.
Потери мощности в балласте (power losses) - характеризует мощность, рассеянную в балласте, т.е. на нагревание балласта. Типичные потери в электромагнитном балласте - 5-10Вт (в электронном в несколько раз меньше). Потери мощности означают повышенный расход энергии, более высокую температуру ламп (если они расположены близко к балласту). что приводит к уменьшению светоотдачи и сокращению срока службы ламп.
Балласт-коэффициент (ballast-factor) - один из наиболее важных параметров. Показывает количество света, производимое лампой при использовании балласта, относительно значений в каталоге, т.е. при использовании лабораторного балласта. Например, балласт-коэффициент 0.9 означает, что лампа, с каталожным значением 2000 Лм, излучает только 1800 Лм. Многие высокочастотные электронные балласты имеют коэффициент больший единицы (это не значит, что они нарушают закон сохранения энергии, поскольку это не КПД), т.е. при использовании балласта с коэффициентом 1.15 данная лампа будет производить 2300 Лм. Однако, не следует использовать балласты с коэффициентами большими 1.1-1.15, поскольку это укорачивает срок службы лампы.
Температура (case temperature) - указывается на корпусе балласта. Надо следить, чтобы она не превышала указанного значения. Для магнитных балластов обычно 120-130C, для электронных 70-75C
Пиковый ток (inrush current, crest factor) - характеризует скачок тока в сети во время зажигания лампы. Чем он меньше, чем лучше для электрической цепи.
Нелинейные гармонические искажения (total harmonic distortion)- некоторые балласты, особенно электронные, могут вызывать нежелательные эффекты в электрической цепи. В современных балластах они не превышают 10-20%
Шум (audible noise) - балласты делятся по производимому ими шуму на несколько категорий. Постарайтесь не использовать в жилой комнате балласт, предназначенный для использования в гараже (в USA следует использовать класс А по шуму). Высокочастотные балласты практически бесшумны.
Количество подключаемых ламп - многие балласты предназначны для использования в схеме с 2-4 лампами. В подоюном случае балласт используется более эффективно, потери на лампу меньше, чем в схеме, когда каждая лампа питается своим балластом. Традиционные балласты (pre-heat, rapid start) используют обычно последовательное подключение ламп, т.е. при отключении одной лампы, отключаются и все остальные. балласт мгновенного старта (instant start) и многие электронные рассчитаны на параллельное подключение ламп, т.е. при этом выключение одной лампы не приводит к выключению остальных.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Помимо разных электрических параметров, рассмотренных выше, на балласте можно встретить разные обозначения - FCC, CE, и т.д.
|
FCC (Federal Communication Commision) - правительственная организация в США, которая, помимо всего прочего, устанавливает стандарты на электронное оборудование в области электромагнитного излучения (EMI - electromagnetic interference). Часть 15 и 18 устанавливают два класса - А и В. А предназначен для для индустриального использования и допустимый уровень EMI там намного выше. Приборы этого класса не предназначены для использования дома. Класс В - приборы для домашнего использования, вот их и надо использовать для аквариума. Конечно, если ваш аквариум расположен близко к огромному токарному станку, то там уже не важно, какой уровень EMI. Но, если при включении ламп, изображение на экране телевизора начинает прыгать - то посмотрите, какого класса ваш балласт |
|
CE - значает, что продукт удовлетворяет европейским стандартам. Они, аналогично FCC, подразделяют приборы на два класса А и В. Значок UL (Underwriters Laboratories) означает, что устройство удовлетворяет стандартам безопасности. Не стоит использовать электрическое устройство, которое не удовлетворяет этим стандартам (или аналогичным для других стран). Балласты обычно принадлежат к классу P. |
Другие страны имеют аналогичные стандарты.
| к началу страницы назад
к оглавлению
|
Схема включения люминисцентной лампы со стартером (preheat start)
Традиционная схема, используемая очень давно, в случае когда напряжение сети достаточно для зажигания лампы. В ней используется балласт, представляющий собой большое индуктивное сопротивление - дроссель, и стартер - маленькая неоновая лампа, служащая для предварительного подогрева электродов лампы. Параллельно неоновой лампе в стартере стоит конденсатор для уменьшения радиопомех. Также в схему может включатся и конденсатор для улучшения коэффициента мощности.
|
При включении лампы в сеть, вначале, возникает разряд в стартере и через электроды лампы проходит небольшой ток, который подогревает их, тем самым уменьшая напряжение зажигания лампы. При возникновении разряда в лампе, напряжение между электродами падает. отключая цепь стартера. В старых схемах вместо стартера использовалась кнопка, которую надо было держать в течении нескольких секунд. Балласт используется только для ограничения тока. Параметры балласта рассчитать несложно самим (в случае, если вы нашли на помойке дроссель и хотите его использовать). |
Определить параметры индуктивного балласта можно очень несложно пользуясь правилами расчета цепей перменного тока. Для примера рассмотрим лампу мощностью 40Вт (F40T12) длиной 48" (122 см), включенную в сеть напряжением 230В
Рабочий ток лампы составляет около 0.43A. Коэффициент
мощности лампы равен примерно 0.9 (в принципе, можно считать лампу активной нагрузкой).
Напряжение на лампе равно: 40Вт/(0.43А*0.9)=102В. Активная составляющая напряжения
равна: 102В*0.9=92В, реактивная равна 102В*sqrt(1-0.9^2)=44В.
Потери мощности в балласте составляют 9-10Вт. Отсюда, суммарный коэффициент мощности
равен: (40Вт+10Вт)/(230В*0.43A)=0.51 (сюда явно просится корректирующий конденсатор).
Активная составляющая падения напряжения на балласте равна: 230В*0.51-102В=15В,
реактивная составляющая 230В*sqrt(1-0.51^2)-44В=154В. Активное сопротивление балласта
равно 15В/0.43А=35 Ом, реактивное 154В/0.43=358 Ом. Индуктивность балласта на
частоте 50Гц равна 358/(2*31.4*50)=1.1Гн
Аналогичный расчет для лампы мощностью 30Вт (F30T12) длиной 36" (91 см), у которой рабочий ток 0.37А, дает параметры балласта - активное сопротивление равно 59 Ом, реактивное 450 Ом. Суммарный коэффициент мощности равен 0.45. Индуктивность балласта 1.4Гн
Отсюда, вообщем-то понятно, что произойдет если использовать балласт для 40Вт лампы в схеме с 30Вт лампой - ток будет превышать номинальное значение, что приведет к более быстрому выходу лампы из строя. И наоборот, использование балласта от менее мощной лампы в схеме с более мощной лампой приведет к ограничению тока и пониженной светоотдачей.
Для улучшения коэффициента мощности можно использовать конденсатор. Например, в первом примере, для лампы 40Вт, конденсатор, включенный параллельно, рассчитывается следующим образом. Ток через конденсатор 0.43А*sqrt(1-0.51^2)=0.37A, реактивное сопротивление конденсатора равно 230В/0.37А=622Ом, емкость для сети 50Гц равняется: 1/(2*3.14*50*622)=5.1мкФ. Конденсатор должен быть на 250В. Его можно включить и последовательно (рассчитывается аналогично), но при этом надо использовать конденсатор на 450В.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Схема включения люминисцентной лампы без стартера (rapid start)
Недостатки схемы со стартером (долгое время прогревания электродов, необходимость замены стартера и т.д.) привели к тому, что появилась другая схема, где подогрев электродов осуществляется со вторичной обмотки трансформатора, который одновременно является и индуктивным сопротивлением.
|
Отличительной внешней особенностью такого балласта является, то что оба сетевых провода подключаются к балласту, четыре провода из балласта подключаются к электродам лампы. Существует много разновидностей такой схемы, например, когда электронная схема отключает цепь подогрева электрода после включения лампы (trigger start) и т.д. Балласты такого типа используются и в схеме с несколькими лампами. Нельзя в такой схеме использовать лампу, предназначенную для стартерной схемы включения, поскольку она рассчитана на более длительный подогрев электродов, и выйдет раньше времени из строя в такой схеме. Следует использовать только лампы с обозначениями RS (Rapid start). В схеме должен быть предусмотрен заземленный рефлектор вдоль лампы (иногда на лампе имеется металлическая полоска). Это облегчает зажигание лампы. |
|
Рисунок показывает внутренний вид такого балласта. Он состоит и дросселя (core and coil), конденсатора для коррекции коэффициента мощности (power capacitor) и термопредохранителя (thermal protector). Внутри корпуса все заливается терморассеиващим материалом (potting material) |
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Схема включения люминисцентной лампы без подогрева электродов (instant start)
|
Эта схема стала использоваться в последнее время. В ней зажигаение лампы производится подачей высоковольтного импульса на электроды лампы. В этой схеме используется специальный балласт. который может быть рассчитан на несколько ламп. Отличительной внешней особенностью подобных ламп и балласта является наличие только одного электрода с каждой стороны лампы, вместо двух. Достоинством такой схемы включения является меньшее потребление мощности балластом (1-2 на лампу) по сравнению с другими магнитными балластами, возможность независимого параллельного включения ламп (обычно в схеме с preheat, rapid start балластами выход одной лампы из строя приводит к тому, что остальные перестают гореть), возможностью более удаленной установки балласта от лампы (для preheat, rapid start обычно длина провода от балласта до лампы не должна превышать метр, хотя есть и специальные балласты) |
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Совместимость схем включения ламп
| Лампа\схема включения | Схема со стартером (preheat start) | Бестартерная схема (rapid start) | Схема без подогрева электродов (instant start) |
|---|---|---|---|
| Стартерная лампа (pre-heat) | работает нормально | не рекомендуется - приведет к скорому выходу из строя | нельзя - приведет к выходу из строя (физически нельзя использовать лампу, поскольку патрон другой) |
| Безстартерная лампа (rapid start) | работает нормально | работает нормально | другой тип патрона |
| Лампа мгновенного старта (instant start) | нельзя использовать - другой тип патрона | работает нормально | |
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Электронные балласты
Эти балласты бывают как низкочастотными, так и высокочастотными. Низкочастотные питают лампу с частой сети, например гибридные балласты (hybrid), которые представлют собой бесстартерный балласт (rapid start), в котором добавлена электронная схема, отключающая вторичную цепь подогрева электродов после зажигания лампы, что дает некоторое повышении эффективности балласта.
Высокочастотные электронные балласты подают напряжение на лампу с частотой около 20000Гц и выше (не надо их путать с высокочастотными индукционными лампами, которые работают на мегагерцовом диапазоне). Такие балласты представляют собой выпрямитель и транзиторный (или тиристорный) прерыватель. Балласт имеет много преимуществ по сравнению с магнитным:
- Повышается эффективность лампы. Коэффициент балласта увеличвается на 20-30%, т.е. лампа производит больше света
- Уменьшены потери в балласте в несколько раз - отсутвует огромный кусок железа. Соответсвенно, ументшается расход энергии и уменьшается температура, что важно для работы лампы.
- Балласт становится компактным, что важно при размещении его в тесном месте.
- Балласт не производит шум в звуковом диапазоне.
- Уменьшаются пульсации лампы
- Многие балласты допускают возможность изменения светового потока лампы (dimming)
|
Рисунок показывает увеличение эффективности лампы при увеличении чустоты тока, относительно к частоте сети 60Hz |
Электронный балласт имеет и свои недостатки:
- Относительно высокую стоимость по сравнению с магнитными.
- Некоторые балласты старых конструкций имели небольшую утечку тока на земляной провод, что приводило к срабатыванию системы защиты (GFCI).
- Эти балласты (особенно дешевые) могут иметь повышенный коэффициент искажения гармоник. Они могут оказывать влияние на работающий рядом радиоприемник (хотя и маловероятно - в радиусе не более полуметра)
Однако, при покупке новой системы ламп, особенно HO, VHO ламп, имеет смысл подумать об использовании электронного балласта
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Балласт для газоразрядной лампы
Газорязрядная лампа - ртутная или металло-галоидная, аналогично люминесцентной, обладает падающей вольт-амперной характеристикой. Поэтому необходимо использовать балласт для ограничения тока в сети и поджига лампы. Балласты для этих ламп во многом аналогичны балластам люминесцентных ламп и будут здесь описаны очень кратко.
|
Самый простейший балласт (reactor ballast) представляет собой индуктивный дроссель, включенный последовательно лампе для ограничения тока. Параллельно включается конденсатор для улучшения коэффициента мощности. Такой балласт можно рассчитать легко аналогично сделанномы выше для люминесцентной лампы. Необходимо учесть, что ток газоразрядной лампы в несколько раз превышает ток люминесцентной. Поэтому нельзя использовать дроссель от люминесцентной лампы. Иногда используется импульсное зажигающее устройство (ИЗУ, inginitor) для поджига лампы. Если напряжение сети недостаточно для поджига лампы, то дроссель может быть совмещен с автотрансформатором для увеличения напряжения. Этот тип балласта обладает тем недостатком, что при изменении напряжения сети изменяется световой поток лампы, который зависит от мощности, пропорциональной квадрату напряжения. |
|
Такой тип балласта с постоянной мощностью (constant wattage) получил наибольшее распространение сейчас среди индутивных балластов. Изменение напряжения питающей сети на 13% приводит к изменению мощности лампы на 2%. В этом схеме конденсатор играет роль ограничивающего ток элемента. Поэтому конденсатор обычно ставиться достаточно большой. |
Лучшими являются электронные балласты, которые аналогичны электронным балластам люминесцентных ламп. Все что сказано про те балласты справедливо для и для газоразрядных ламп. К тому же в таких балластах можно регулировать ток лампы, уменьшая количества света. Поэтому если вы собираетесь использовать газорязрядную лампу для освещения аквариума, то вам имеет смысл приобрести электронный балласт.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Включение люминесцентной лампы на постоянном токе
|
В принципе, люминесцентные лампы являются приборами переменного тока. Тем не менее они могут работать и на постоянном токе. При этом надо учитывать следующие факторы:
|
Иногда последовательно включается индуктивность для ограничения стартового тока.
Параметры сопротивления можно взять из таблицы (из Philips Lighting Handbook):
| Мощность лампы | Сопротивление для напряжения 120В | Сопротивление для напряжения 220В | Ток лампы |
|---|---|---|---|
| 15W T12 | 205 Оm | 0.29A | |
| 20W T12 | 150 Om | 0.31A | |
| 40W T12 | 335 Om | 0.35A |
Для других мощностей рассчитывается несложно, аналогично расчету индуктивного балласта. Необходимо следуить, чтобы используемое сопротивление было рассчитано на рабочий ток лампы. В качестве сопротивления иногда используется лампа накаливания.
Вообщем, такую схему включения лучше не использовать.
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Использование лампы накаливания в качестве балласта
Данный вариант иногда используется в схемах со стартером. Спираль лампы используется в качестве ограничителя тока. В принципе, можно использовать любое споротивление, если оно позволяет рассеяивать необходимую мощность. Основными недсотатками использования лампы как балласта являются:
- Эффективность схемы очень низкая, поскольку на лампе накаливания рассеивается много тепла - она является активной нагрузкой, в отличие от индуктивности
- Люминисцентная лампа работает в неоптимальном режиме - снижается светоотдача, срок служьы и т.д. Балласт специально проектируется под конкретную лампу, лампа накаливания - вряд ли.
- Выделяемое тепло (может доходить до 40-50 Вт) служит причиной уменьшения светоотдачи люминесцентной лампы из-за повышения температуры.
- Обычно утверждается, что лампа накаливания дает допольнительный свет. Однако, работая "вполнакала", лампа накаливания дает очень мало света в видимом диапазоне
Можно сказать, что не следует использовать такую схему - лучше приобрести специальный балласт.
Тем не менне, некоторые данные, которые позволять выбрать лампу накаливания. Особенностью ламп накаливания является изменение сопротивления спирали с ростом температуры. Данная таблица рассчитана для наиболее распространенных би-спиральных ламп накаливания с заполненной инертным газом колбой. Расчет был произведен следующим образом: вначале была рассчитана лампа, которая на номинальном напряжении 220В имеет соотвествующие мощности и световой поток, затем сопротивление спирали было пересчитано на другие значения тока.
Таблица и остальные данные приводятся только для информации. Вы ее можете использовать на свой риск.
| Ток через лампу (А) | Сопротивление лампы накаливания (Ом) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 40 Вт | 60 Вт | 75 Вт | 100 Вт | 150 Вт | |
| 0,1 | 560 | 420 | 290 | 190 | 100 |
| 0.15 | 730 | 540 | 370 | 240 | 125 |
| 0.2 | 1200 (Рабочий ток 0.18А) | 650 | 450 | 280 | 150 |
| 0.25 | 750 | 520 | 320 | 170 | |
| 0.3 | 800 (Рабочий ток 0.27А) | 590 | 360 | 190 | |
| 0.35 | 650 (Рабочий ток 0.34А) | 400 | 205 | ||
| 0.4 | 440 | 225 | |||
| 0.45 | 480 (Рабочий ток 0.45А) | 260 | |||
| 0.5 | 275 | ||||
| 0.55 | 295 | ||||
| 0.6 | 310 | ||||
| 0.65 | 325 (Рабочий ток 0.68А) | ||||
Пользуясь этими данными, можно выбрать лампу накаливания для конкретной схемы включения люминесцентной лампы. Параметры лампы можно найти в каталогах люминесцентых ламп.
Для примера рассмотрим лампу мощностью 40 Вт (F40T12) длиной 48" (122 см), включенную в сеть напряжением 230 В. Рабочий ток лампы составляет около 0.4 A. Полагаем, для простоты лампу активной нагрузкой (в действительности коэффициент мощности равен 0.9-0.95). Тогда напряжение на лампе равно: 40 Вт/0.4 А=100 В и ее сопротивление: 100 В/0.4 А=250 Ом. Суммарное сопротивление лампы накаливания и люминесцентной лампы должно быть равно: 230 В/0.4 А=575 Ом, а сопротивление лампы накаливания: 575 Ом - 250 Ом=225 Ом. Из таблицы видно, что лампа мощностью 150 Вт имеет нужное сопротивление при токе 0.4 А. Падение напряжения на этой лампе будет равно 130 В и выделяемая мощность: 130 В * 0.4 А=52Вт (для сравнения индуктивный балласт на таком токе имеет сопротивление 10-15 Ом)
| к началу страницы
назад к оглавлению
|
Что смотреть дальше?
Практические схемы находятся в разделе Самоделок
Литература
Существует обширная литература на русском языке, посвященная описаниям и расчету балластов. В любой технической библиотеке можно найти старый учебник, посвященный ПРА - пуско-регулирующей аппаратуре.
Общая информация
- www.lightingresource.com - коллекция информации о лампах, балластах, производителях и т.д.
Производители балластов.
Они обычно публикуют много полезной информации общего характера
- Philips Lighting - www.philipslighting.com (US)или www.eur.lighting.philips.com (Европа)
- Osram/Sylvania - www.sylvania.com (US) или www.osram.com (Европа)
- GE Lighting - www.ge.com/lighting
- Magnetek - www.magnetek.com - много полезной информации
- Advace Trnasformer - www.advancetransformer.com
| к началу страницы назад к оглавлению |