Комплектующие светильников с газоразрядными лампами

Газоразрядные лампы являются источниками света с наибольшей световой отдачей. Их применяют для освещения дорог и стадионов, телевизионных студий и туннелей. Принцип их действия кажется простым: через смесь газа и паров металла пропускается электрический ток и возникает разряд. Однако этот так называемый дуговой разряд может протекать в различных формах, которые классифицируются в зависимости от давления, при котором происходит разряд. Большинство газоразрядных ламп работает при низком или высоком давлении, а так называемые лампы сверхвысокого давления используются в специальных областях, например, в проекторах. Тем не менее, независимо от того, работают ли лампы при низком, высоком или сверхвысоком давлении, их параметры в значительной степени зависят от используемых комплектующих.
 

Газоразрядные лампы применяются в прожекторах заливающего света

Комплектующие для светильников с газоразрядными лампами

Ртутные лампы высокого давления (лампы НМ)

Ртутные лампы высокого давления (лампы НМ) испускают видимый свет за счет ионизации инертного газа жаргона) и паров ртути. Этот процесс происходит в кварцевой горелке внутри разрядной трубки, которая помещена в стеклянную колбу, покрытую люминесцирующим материалом. Такие источники света с мощностью от 50 до 1000 Вт выпускаются с резьбовыми патронами Е27 и Е40. Для обеспечения стабильности разряда очень важно как можно более точно соблюдать параметры использования лампы, заданные ее изготовителем. Установка лампы в неправильном положении или несоблюдение электрических параметров может привести к выходу лампы из строя или к сокращению ее срока службы. Для таких ламп время поджига и повторного зажигания составляет примерно от 4 до 5 минут. Ввиду наличия встроенных электродов поджига не требуются дополнительные устройства поджига.

Балласты для ламп НМ

Для ртутных ламп высокого давления используются чисто индуктивные или емкостные индуктивные балласты. Даже в случае значительного отклонения напряжения сети (от 94% до 106% от номинального), балласт не должен допускать снижения напряжения ниже заданного изготовителем лампы, и в то же время не должно превышаться значение тока, после которого возможно короткое замыкание. Ток запуска должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить достижение 90% от рабочего напряжения лампы за 15 минут. Так как ртутные лампы высокого давления работают без предварительного нагрева, то тепловые параметры балласта определяются током лампы (при максимально допустимом напряжении и минимальном импендансе).

Металлогалогенные лампы (лампы Н1)

Металлогалогенные лампы (лампы НI) являются результатом усовершенствования ртутных ламп высокого давления. С помощью специальных добавок, т.е. соединений редкоземельных металлов и таких галогенов, как фтор, хлор, бром и йод, удалось значительно улучшить цветопередачу. Поскольку эти добавки ухудшают процесс зажигания, то приходится использовать мощные внешние блоки поджига. Кроме того, для этих ламп необходимо очень точно выдерживать заданные значения тока и напряжения. Отклонения от электрических и тепловых параметров приводит к ухудшению цветопередачи.

За счет более совершенной технологии производства комплектующих можно сгладить эти недостатки, что позволяет широко использовать металлогалогенные лампы. Они применяются для освещения витрин, студий и спортивных сооружений. Постепенно их начинают использовать для освещения офисов и жилых помещений.

За исключением специальных устройств, применяемых в проекторах и для освещения сцены, в основном выпускаются лампы типа Н1 мощностью от 35 до 3500 Вт. Для этих ламп обычно требуется время поджига 3 минуты и время повторного зажигания 10 минут.
 

Благодаря улучшенной цветопередаче металлогалогенные лампы все шире используются внутри зданий

Натриевые лампы высокого давления (лампы НS)

В этих лампах используется разряд в парах металла и они характеризуются двумя особенностями: очень высокой световой отдачей и узким спектральным составом излучения, находящимся в желтой части спектра. Хотя глаз человека очень чувствителен к желтому свету, но при этом плохо передаются цвета. В связи с этим натриевые лампы высокого давления (лампы НS) с мощностью от 35 до 1000 Вт имеют ограниченное применение и используются, в основном, для чисто функционального освещения, например, в туннелях или на дорогах.

Тем не менее, цветопередача может быть улучшена за счет использования различных смесей газов, изменения давления и применения различных люминесцирующих материалов, хотя все это снижает световой поток и КПД. Принцип действия натриевых ламп высокого давления требует использования устройств поджига. Как и лампы типа НМ, выпускаются лампы НБ со встроенными устройствами поджига. Рекомендуется использовать внешние устройства поджига (т.е. находящиеся вне лампы), так как в случае перегорания лампы не придется заменять также и устройство поджига, что позволит значительно снизить эксплуатационные расходы.

Патроны для ламп типов НI и НS

Для металлогалогенных и натриевых ламп высокого давления используются различные цоколи. В зависимости от того, является ли лампа одноцокольной или двухцокольной, используются патроны типов RX7s, Fс2, G12, РG12, Е27 и Е40. На все патроны воздействуют условия, характерные для работы газоразрядных ламп, т.е. высокие напряжения поджига и высокие температуры. Конструкция патрона должна выдерживать высокие токи поджига. Этим определяется выбор изоляционных материалов, в качестве которых обычно используется фарфор или термоустойчивый пластик (например, полифениленсульфид). В зависимости от параметров работы лампы (ток, напряжение, температура и т.д.) используются контакты из серебряных, никелевых или медных сплавов, покрытые толстым слоем никеля.
 

Цоколи распространенных типов газоразрядных ламп

При использовании ламп высокого давления с резьбовыми цоколями Е27 и Е40 важно убедиться, что патроны были сертифицированы для использования с газоразрядными лампами. Пригодные для этой цели патроны должны иметь маркировку Т750 ВТ, что будет указывать, что они рассчитаны на напряжение поджига до 7,5 кВ и в ник выполняются требования к пути тока утечки и к воздушным промежуткам для направления поджига.

Импульсы поджига высокого напряжения создают большие нагрузки на провода. На практике для газоразряднык ламп используют провода с изоляцией из силиконовой резины с наружным диаметром 4,4 мм. Для ламп с горячим повторным поджигом используются провода в изоляции из силиконовой резины толщиной 7 мм и с оболочкой из стеклоткани. Тефлоновая изоляция непригодна, так как она не выдерживает напряжение поджига в течение длительного времени.

Балласты для ламп типов НI и НS

Так как для металлогалогеновых (НI) и натриевых ламп высокого давления (НS) задаваемые изготовителями ламп значения тока, напряжения и импеданса являются практически одинаковыми для ламп равной мощности, то выпускается много балластов, пригодных для ламп обоих типов. Необходимо иметь в виду, что при отклонении импеданса от заданного значения у ламп типа НI сильно изменяется цветопередача. Поэтому балласты для этих ламп должны строго соответствовать заданным характеристикам. Кроме того, для ламп НI необходимо также выдерживать пиковое значение постоянной тока. Этот параметр не задается для ламп типа НS и для них достаточно, чтобы не превышалось максимальное значение тока поджига.

Тем не менее, для ламп обоих типов импеданс балласта должен оставаться неизменным в течение всего срока службы, даже в случае неоднократной замены лампы. Эта характеристика проверяется при испытаниях на продолжительность срока службы.

С точки зрения тепловых характеристик трубчатые лампы типа НI-Т (например, Osram НQI-TS) представляют собой особый случай, так как в этих лампах может происходить однополупериодное выпрямление, приводящее к перегреву дросселя. Тем не менее, практический опыт показывает, что к концу срока службы такие явления возникают только в одной лампе типа НI-Т из 20 000.

Так как при этом происходит возрастание тока лампы в два-три раза, то сильный нагрев может привести к пожару. Испытывают такие светильники с помощью эквивалентной цепи. При этом необходимо использовать резисторы с соответствующими параметрами. Более безопасны бал- ласты с температурным отключением, которые уже были испытаны предприятиями-изготовителями с использованием такой системы.
 

Эквивалентная цепь для имитации работы трубчатых ламп в экстремальных условиях (источник: Osram)

Особым случаем являются натриевые лампы высокого давления НSE-I со встроенными стартерами (например, Рhilips SON W-I). В этих лампах встроенный выключатель прерывает ток короткого замыкания, что приводит к генерации пика, поджигающего лампу. Таким образом, балласты для ламп НSЕ-I должны выдерживать ток короткого замыкания и максимальное напряжение импульса 2,3 кВ. Высокое напряжение между слоями диэлектрика и напряжение задаваемое во время испытаний является серьезной проверкой диэлектрической прочности этих блоков.

Устройства поджига для ламп типов НI и НS

Кроме ламп со встроенными стартерами, используются устройства поджига ламп высокого давления трех типов: двухпозиционные, трехпозиционные и для горячего повторного запуска (перезажигания).

Двухпозиционные устройства поджига

В двухпозиционных устройствах поджига для генерации импульса высокого напряжения, зажигающего газоразрядную лампу высокого давления, используется обмотка индуктивного балласта, которая должна быть рассчитана на соответствующую нагрузку. Особое внимание уделяется прочности изоляции и путям тока утечки и воздушным промежуткам. При генерации импульсов большой энергии допускается значительная длина проводов между устройством поджига и лампой. В наиболее современных устройствах поджига используются электронные микросхемы. В зависимости от конструкции и технических требований самым простым вариантом является подключение двухпозиционных устройств поджига параллельно лампе. В друтих случаях используется часть обмотки дросселя с наличием отводов для переключения напряжения или специальных отводов для работы в импульсном режиме.

Устройство трехпозиционного поджига

Для запуска газоразрядных ламп наибольшее распространение в Германии получили трехпозиционные устройства поджига, которые передают импульс зажигания на лампу. Они создают оптимальные условия для работы лампы и очень эффективны.

Основным достоинством такой системы поджига является то, что она хорошо работает при напряжениях от 220 до 240 В и от 380 до 415 В, т.е. при изменении напряжения сети в пределах +-10%. Так как частота сети является второстепенным фактором, то эти системы нормально работают при частоте сети 50 или 60 Гц. В зависимости от требований, устанавливаемых изготовителем лампы, в каждый полупериод генерируются импульсы или группы импульсов заданной длительности и амплитуды.
 

Электронные трехпозиционные устройства поджига

Допустимая емкость нагрузки, которая кроме всего прочего определяется длиной проводника поджига, тем, как он проложен и типом кабеля, обычно составляет 100 пФ. Этому обычно соответствует длина одножильного провода 1 м и длина многожильного провода 0,7 м.
 

Импульсы поджига, создаваемые электронным трехпозиционным устройством поджига

Схема подключения трехпоэиционного устройства поджига

Так как через трехпозиционное устройство поджига проходит небольшая часть тока лампы, то оно вызывает небольшие потери по сравнению с потребляемой системой мощностью. Эти потери в ограниченной степени проявляются в виде нагрева. Если внутренний нагрев вычесть из заданного значения максимальной температуры корпуса (tc), то можно получить максимальное допустимое значение температуры окружающей среды.

Если протекающий через лампу высокого давления ток будет прерван даже на доли секунды, то лампа немедленно погаснет. Обычные устройства поджига не смогут повторно зажечь лампу, пока давление в ней не снизится до определенного уровня за счет снижения температуры.

Пусковые переключатели

Лампы высокого давления отличаются очень высокой эффективностью, но для них требуются более сложные светильники, так как приходиться использовать специальные комплектующие. В частности, у ламп высокого давления есть один типичный недостаток: при запуске лампы не сразу достигается полный световой поток, а после короткого выключения лампы до ее повторного включения может пройти значительное время. Имеет смысл устанавливать в светильниках, особенно в тех случаях, когда это требуется по соображениям безопасности, вспомогательный источник света (обычно галогенную лампу). Этот дополнительный источник света включается пусковым переключателем, который контролирует напряжение на лампе высокого давления. Когда световой поток лампы высокого давления достигнет примерно 60% от номинального значения, вспомогательная лампа выключаться. Вспомогательный источник света включится при погасании лампы высокого давления и будет гореть до тех пор, пока световой поток газоразрядной лампы снова не достигнет 60% от номинального значения.

Этот период времени до повторного поджига составляет около одной минуты для натриевых ламп высокого давления и десять минут для металлогалогенных ламп. Частое потухание ламп уже выработавших ресурс может вызывать повреждение комплектующих светильника. Многократное зажигание и погасание газоразрядных ламп в конце их срока службы предотвращается с помощью электронных устройств поджига со встроенными выключателями. Эти системы, которые также называют устройствами поджига с таймерами, отключают повторно гаснущие лампы после того, как превышено определенное суммарное время поджига. Для ламп различного типа используются устройства поджига, в котором программируется свое время отключения: для ламп типа НS 82 секунды, для ламп типа НI - 655 секунд суммарного времени поджига.

Устройства для горячего повторного запуска (перез ажигания)

Давление в газоразрядной лампе высокого давления после погасания лампы снижается медленно. Горячая лампа может быть снова зажжена с помощью обычного стартера только после ее остывания. Однако в системах освещения электростанций, транспортных узлов, на телестудиях, требуется немедленное повторное включение ламп высокого давления. Устройства горячего повторного запуска, применяемые для этой цели, используют для поджига ламп напряжение от 12,5 до 70 кВ, находящееся в мегагерцовом диапазоне частот. Такие высокие напряжения создают большую нагрузку на комплектующие. Проблема несколько упрощается, если вместо несимметричных устройств запуска используются симметричные, поскольку в таком случае потенциал на заземленных контактах лампы будет в два раза меньше. Продолжительность действия таких устройств поджига всегда ограничивается таймерами.

Моноблоки для включения ламп типов НI и НS

В состав единого моноблока входит балласт, компенсирующий конденсатор, система теплового отключения и устройство поджига. За счет того, что все эти компоненты объединены в одном корпусе, потребителю нет необходимости монтировать и прокладывать между отдельными комплектующими. Моноблок подключается только к сети питания и к лампе, что значительно снижает затраты на установку. В высококачественных моноблоках все компоненты заливаются сиитетической смолой, а снаружи имеются зажимы для подключения проводов к сети и к лампе. Такие моноблоки относятся к классу защиты II и могут использоваться в наружных светильниках. Они могут также иметь также маркировку ММ, разрешающую крепить их к деревянным и другим горючим поверхностям. Моноблоки с маркировкой ММ идеально подходят для установки в мебель или за подвесные потолки.
 

В состав моноблока входят все комплетующие, необходимые для работы лампы высокого давления

Регулирование мощности ламп типов НМ и НS

Для экономии средств в коммунальной сфере, а также по экологическим причинам, все более важным фактором является регулирование мощности уличного освещения. В период ночного времени световой поток уличного освещения может быть уменьшен на 50%, что позволяет снизить потребляемую мощность на 30%. Такое снижение мощности возможно только для натриевых ламп высокого давления и для ртутных ламп.

Расчеты, выполненные на электростанции Mainkraftwerke во Франкфурте, показали, что даже в небольшом населенном пункте с 25000 жителей и 230 уличными фонарями, регулирование мощности позволит сэкономить 75000 квт/ч в год. Это также сократит на 40 тонн количества углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу тепловой электростанцией.
 

Балласт с регулируемой мощностью, работающий совместно с электронным переключателем, снижает расход энергии

Регулировать мощность лампы можно с помощью дополнительной индуктивности, подключаемой к имеющемуся балласту. Однако при модернизации имеющихся систем такой вариант редко оказывается целесообразным.

Лучшим вариантом оказывается использование балластов с регулируемой мощностью, в которых имеется дополнительная обмотка, увеличивающая импеданс. Она подключается с помощью специального переключателя. Для переключения мощности должна иметься дополнительная фаза управления переключателем. Имеется два варианта снижения мощности. Если используется два балласта, то дополнительная индуктивность просто шунтируется при работе на полной нагрузке. В балластах с отводами от обмотки используется другой способ.
 

Схема регулирования мощности НS ламп с помощью дополнительной индуктивности

Схема регулирования мощности HS ламп с помощью переключаемого балласта

Разрядные устройства

В переносных светильниках должно быть обеспечено немедленное снижение остаточного напряжения до безопасного уровня, т.е. компенсирующий конденсатор за одну секунду должен разряжаться до остаточного напряжения не превышающего 34 В.
Часто эта задача решается с помощью разрядных балластов. Предпочтительнее использовать для этих целей электронные разрядные устройства, которые значительно меньше и легче и которые обладают существенным преимуществом – электроника обеспечивает меньший уровень потерь, чем при индуктивном методе, и пригодна даже для мощных конденсаторов с емкостью до 100 мкФ.

Чтобы предотвратить прерывание тока и погасание дугового разряда при переключении на меньший уровень мощности, контакты реле шунтируются при переключении. Изготовители ламп требуют, чтобы газоразрядые лампы запускались только при номинальном значении импеданса. При переключении мощности это обеспечивается с помощью использования микропроцессоров. Устройство переключения мощности обеспечивает работу на полной мощности лампы в течение, по крайней мере, пяти минут после зажигания, даже если уже задан режим снижения мощности. Такой програмно-управляемый режим работы значительно увеличивает продолжительность срока службы лампы и соответственно позволяет снизить расходы по обслуживанию осветительных систем.