Электрическая схема энергосберегающей лампы: Схемы энергосберегающих ламп

Содержание

Схемы энергосберегающих ламп

 

  Здесь представлены схемы популярных энергосберегающих ламп дневного света.
Даже если вы не нашли нужную лампу, ищите аналог, принцип у схем один.

——————————————————

 

 


——————————————————
 

——————————————————
 

 
——————————————————
——————————————————
 

——————————————————
 


——————————————————
 

——————————————————
 


——————————————————

——————————————————-
 

——————————————————
 

——————————————————
 
 


——————————————————

 
——————————————————
 
 


——————————————————
Адрес этой статьи: http://radio-hobby.
org/modules/news/article.php?storyid=453
Оригинал: http://www.pavouk.org/hw/lamp/en_index.html
Энергосберегающие лампы
Принцип действия

Ремонт энергосберегающих ламп

Схемы энергосберегающих ламп

Питание ламп дневного света (ЛДС)

Термисторы PTC для энергосберегающих ламп



1). Электрическое поле Земли - источник энергии.

2). Ветродвигатель для ветряка — 1

3). Ветродвигатель для ветряка — 2

4). Получение электрической энергии — 1

Импульсный блок питания из энергосберегающей лампы

В этой статье Вы найдёте подробное описание процесса изготовления импульсных блоков питания разной мощности на базе электронного балласта компактной люминесцентной лампы.

Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час. На изготовление 100-ваттного блока питания понадобится несколько часов.

В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.


Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим.

В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют.

А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для предобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.

Схема энергосберегающей лампы

А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

Законченная схема импульсного блока питания

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

БП с вторичной обмоткой прямо на каркас уже имеющегося дросселя

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

БП с дополнительным импульсным трансформатором

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Импульсный трансформатор для блока питания

Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше.

Проверено на практике.

Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения

Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.

Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мальниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

Блок питания мощностью 20 Ватт

Блок питания мощностью 20 Ватт

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт.
Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц.
Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц
Температура трансформатора – 60ºС
Температура транзисторов – 42ºС

Блок питания мощностью 100 Ватт

Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

Блок питания мощностью 100 Ватт

Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз бо’льшие предельно-допустимые токи.

Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.

Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

Действующий стоваттный импульсный блок питания

Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.
Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.
Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.
Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.
Температура транзисторов – 75ºC.
Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².
Температура дросселя TV1 – 45ºC.
TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)

Выпрямитель

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

1. Мостовая схема.
2. Схема с нулевой точкой.

Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

Пример.
Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ват.

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности.

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.

При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку исследуемого ИБП от осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.

Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.

Будьте осторожны, берегитесь ожога!
Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!
То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.

Как наладить импульсный блок питания?

Собственно, блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.

Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.

Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.

Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.

Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65ºС, то нужно уменьшить мощность нагрузки.

Не рекомендуется доводить температуру трансформатора выше 60… 65ºС, а транзисторов выше 80… 85ºС.

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

Схема импульсного блока питания

R0 – ограничивает пиковый ток, протекающий через диоды выпрямителя, в момент включения. В КЛЛ также часто выполняет функцию предохранителя.

VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.

L0, C0 – фильтр питания.

R1, C1, VD2, VD8 – цепь запуска преобразователя.

Работает узел запуска следующим образом. Конденсатор C1 заряжается от источника через резистор R1. Когда напряжения на конденсаторе C1 достигает напряжения пробоя динистора VD2, динистор отпирается сам и отпирает транзистор VT2, вызывая автоколебания. После возникновения генерации, прямоугольные импульсы прикладываются к катоду диода VD8 и отрицательный потенциал надёжно запирает динистор VD2.

R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.

R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.

R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.

R3, R4 – предотвращают насыщение транзисторов и исполняют роль предохранителей при пробое транзисторов.

VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.

TV1 – трансформатор обратной связи.

L5 – балластный дроссель.

C4, C6 – разделительные конденсаторы, на которых напряжение питания делится пополам.

TV2 – импульсный трансформатор.

VD14, VD15 – импульсные диоды.

C9, C10 – конденсаторы фильтра.

Дроссель энергосберегающей лампы. Инструкция по изготовлению импульсного блока питания из энергосберегающей лампы

Энергосберегающие лампы широко применяются в быту и на производстве, со временем они приходят в негодность, а между тем многие из них после несложного ремонта можно восстановить. Если вышел из строя сам светильник, то из электронной «начинки» можно сделать довольно мощный блок питания на любое нужное напряжение.

Как выглядит блок питания из энергосберегающей лампы

В быту часто требуется компактный, но в то же время мощный низковольтный блок питания, сделать такой можно, используя вышедшую из строя энергосберегающую лампу. В лампах чаще всего выходят из строя светильники, а блок питания остается в рабочем состоянии.

Для того чтобы сделать блок питания, необходимо разобраться в принципе работы электроники, содержащейся в энергосберегающей лампе.

Достоинства импульсных блоков питания

В последние годы наметилась явная тенденция к уходу от классических трансформаторных блоков питания к импульсным. Это связано, в первую очередь, с большими недостатками трансформаторных блоков питания, таких как большая масса, малая перегрузочная способность, малый КПД.

Устранение этих недостатков в импульсных блоках питания, а также развитие элементной базы позволило широко использовать эти узлы питания для устройств с мощностью от единиц ватт до многих киловатт.

Схема блока питания

Принцип работы импульсного блока питания в энергосберегающей лампе точно такой же, как в любом другом устройстве, например, в компьютере или телевизоре.

В общих чертах работу импульсного блока питания можно описать следующим образом:

  • Переменный сетевой ток преобразуется в постоянный без изменения его напряжения, т.е. 220 В.
  • Широтно-импульсный преобразователь на транзисторах превращает постоянное напряжение в прямоугольные импульсы, с частотой от 20 до 40 кГц (в зависимости от модели лампы).
  • Это напряжение через дроссель подается на светильник.

Рассмотрим схему и порядок работы импульсного блока питания лампы (рисунок ниже) более подробно.

Схема электронного балласта энергосберегающей лампы

Сетевое напряжение поступает на мостовой выпрямитель(VD1-VD4) через ограничительный резистор R 0 небольшого сопротивления, далее выпрямленное напряжение сглаживается на фильтрующем высоковольтном конденсаторе (С 0), и через сглаживающий фильтр (L0) подается на транзисторный преобразователь.

Запуск транзисторного преобразователя происходит в тот момент, когда напряжение на конденсаторе С1 превысит порог открытия динистора VD2. Это запустит в работу генератор на транзисторах VT1 и VT2, благодаря чему возникает автогенерация на частоте около 20 кГц.

Другие элементы схемы, такие как R2, C8 и C11, играют вспомогательную роль, облегчая запуск генератора. Резисторы R7 и R8 увеличивают скорость закрытия транзисторов.

А резисторы R5 и R6 служат как ограничительные в цепях баз транзисторов, R3 и R4 предохраняют их от насыщения, а в случае пробоя играют роль предохранителей.

Диоды VD7, VD6 – защитные, хотя во многих транзисторах, предназначенных для работы в подобных устройствах, такие диоды встроены.

TV1 – трансформатор, с его обмоток TV1-1 и TV1-2, напряжение обратной связи с выхода генератора подается в базовые цепи транзисторов, создавая тем самым условия для работы генератора.

На рисунке выше красным цветом выделены детали, подлежащие удалению при переделке блока, точки А–А` нужно соединить перемычкой.

Переделка блока

Перед тем как приступить к переделке блока питания, следует определиться с тем, какую мощность тока необходимо иметь на выходе, от этого будет зависеть глубина модернизации. Так, если требуется мощность 20-30 Вт, то переделка будет минимальной и не потребует большого вмешательства в существующую схему. Если необходимо получить мощность 50 и более ватт, то модернизация потребуется более основательная.

Следует иметь в виду, что на выходе блока питания будет постоянное напряжение, а не переменное. Получить от такого блока питания переменное напряжение частотой 50 Гц невозможно.

Определяем мощность

Мощность можно вычислить по формуле:

Р – мощность, Вт;

I – сила тока, А;

U – напряжение, В.

Например, возьмем блок питания со следующими параметрами: напряжение – 12 В, сила тока – 2 А, тогда мощность будет:

С учетом перегрузки можно принять 24-26 Вт, так что для изготовления такого блока потребуется минимальное вмешательство в схему энергосберегающей лампы мощностью 25 Вт.

Новые детали

Добавление новых деталей в схему

Добавляемые детали выделены красным цветом, это:

  • диодный мост VD14-VD17;
  • два конденсатора С 9 , С 10 ;
  • дополнительная обмотка, размещенная на балластном дросселе L5, количество витков подбирается опытным путем.

Добавляемая обмотка на дроссель играет еще одну немаловажную роль разделительного трансформатора, предохраняя от попадания сетевого напряжения на выход блока питания.

Чтобы определить необходимое количество витков в добавляемой обмотке, следует проделать следующие действия:

  1. на дроссель наматывают временную обмотку, примерно 10 витков любого провода;
  2. соединяют с нагрузочным сопротивлением, мощностью не менее 30 Вт и сопротивлением примерно 5-6 Ом;
  3. включают в сеть, замеряют напряжение на нагрузочном сопротивлении;
  4. полученное значение делят на количество витков, узнают, сколько вольт приходится на 1 виток;
  5. вычисляют необходимое число витков для постоянной обмотки.

Более детальный расчет приведен ниже.

Испытательное включение переделанного блока питания

После этого легко вычислить необходимое число витков. Для этого напряжение, которое планируется получить от этого блока, делят на напряжение одного витка, получается количество витков, к полученному результату добавляют про запас примерно 5-10%.

W=U вых /U вит, где

W – количество витков;

U вых – требуемое выходное напряжение блока питания;

U вит – напряжение на один виток.

Намотка дополнительной обмотки на штатный дроссель

Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При намотке поверх нее дополнительной обмотки необходимо предусмотреть межобмоточную изоляцию, особенно если наматывается провод типа ПЭЛ, в эмалевой изоляции. Для межобмоточной изоляции можно применить ленту из политетрафторэтилена для уплотнения резьбовых соединений, которой пользуются сантехники, ее толщина всего 0,2 мм.

Мощность в таком блоке ограничена габаритной мощностью используемого трансформатора и допустимым током транзисторов.

Блок питания повышенной мощности

Для этого потребуется более сложная модернизация:

  • дополнительный трансформатор на ферритовом кольце;
  • замена транзисторов;
  • установка транзисторов на радиаторы;
  • увеличение емкости некоторых конденсаторов.

В результате такой модернизации получают блок питания мощностью до 100 Вт, при выходном напряжении 12 В. Он способен обеспечить ток 8-9 ампер. Этого достаточно для питания, например, шуруповерта средней мощности.

Схема модернизированного блока питания приведена на рисунке ниже.

Блок питания мощностью 100 Вт

Как видно на схеме, резистор R 0 заменен на более мощный (3-ваттный), его сопротивление уменьшено до 5 Ом. Его можно заменить на два 2-ваттных по 10 Ом, соединив их параллельно. Далее, С 0 – его емкость увеличена до 100 мкф, с рабочим напряжением 350 В. Если нежелательно увеличивать габариты блока питания, то можно подыскать миниатюрный конденсатор такой емкости, в частности, его можно взять из фотоаппарата-мыльницы.

Для обеспечения надежной работы блока полезно несколько уменьшить номиналы резисторов R 5 и R 6 , до 18–15 Ом, а также увеличить мощность резисторов R 7 , R 8 и R 3 , R 4 . Если частота генерации окажется невысокой, то следует увеличить номиналы конденсаторов C­ 3 и C 4 – 68n.

Самым сложным может оказаться изготовление трансформатора. Для этой цели в импульсных блоках чаще всего используют ферритовые кольца соответствующих размеров и магнитной проницаемости.

Расчет таких трансформаторов довольно сложен, но в интернете есть много программ, с помощью которых это очень легко сделать, например, «Программа расчета импульсного трансформатора Lite-CalcIT».

Как выглядит импульсный трансформатор

Расчет, проведенный с помощью этой программы, дал следующие результаты:

Для сердечника используется ферритовое кольцо, его внешний диаметр – 40, внутренний – 22, а толщина – 20 мм. Первичная обмотка проводом ПЭЛ – 0,85 мм 2 имеет 63 витка, а две вторичных тем же проводом – 12.

Вторичную обмотку необходимо наматывать сразу в два провода, при этом их желательно предварительно слегка скрутить между собой по всей длине, так как эти трансформаторы очень чувствительны к несимметричности обмоток. Если не соблюдать это условие, то диоды VD14 и VD15 будут нагреваться неравномерно, а это еще больше увеличит несимметричность что, в конце концов, выведет их из строя.

Зато такие трансформаторы легко прощают значительные ошибки при расчете количества витков, до 30%.

Так как эта схема изначально рассчитывалась для работы с лампой мощностью 20 Вт, то установлены транзисторы 13003. На рисунке ниже позиция (1) – транзисторы средней мощности, их следует заменить на более мощные, например, 13007, как на позиции (2). Возможно, их придется установить на металлическую пластину (радиатор), площадью около 30 см 2 .

Испытание

Пробное включение стоит проводить с соблюдением некоторых мер предосторожности, чтобы не вывести из строя блок питания:

  1. Первое пробное включение производить через лампу накаливания 100 Вт, чтобы ограничить ток на блок питания.
  2. К выходу обязательно подключить нагрузочный резистор 3-4 Ома, мощностью 50-60 Вт.
  3. Если все прошло штатно, дать поработать 5-10 мин., отключить и проверить степень нагрева трансформатора, транзисторов и диодов выпрямителя.

Если в процессе замены деталей не были допущены ошибки, блок питания должен заработать без проблем.

Если пробное включение показало работоспособность блока, остается испытать его в режиме полной нагрузки. Для этого сопротивление нагрузочного резистора уменьшить до 1,2-2 Ом и включить его в сеть напрямую без лампочки на 1-2 минуты. После чего отключить и проверить температуру транзисторов: если она превышает 60 0 С, то их придется установить на радиаторы.

В этой статье Вы найдёте подробное описание процесса изготовления импульсных блоков питания разной мощности на базе электронного балласта компактной люминесцентной лампы.
Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час. На изготовление 100-ваттного блока питания понадобится несколько часов.

В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.


Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим.

В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют. А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для предобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.

А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Импульсный трансформатор для блока питания

Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше. Проверено на практике.

Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения

Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.

Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мальниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт.
Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц.
Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц
Температура трансформатора – 60ºС
Температура транзисторов – 42ºС

Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз бо’льшие предельно-допустимые токи.

Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.

Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.
Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.
Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.
Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.
Температура транзисторов – 75ºC.
Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².
Температура дросселя TV1 – 45ºC.
TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)

Выпрямитель

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

1. Мостовая схема.
2. Схема с нулевой точкой.

Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

Пример.
Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ват.

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности.

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.

При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку исследуемого ИБП от осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.

Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.

Будьте осторожны, берегитесь ожога!
Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!
То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.

Как наладить импульсный блок питания?

Собственно, блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.

Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.

Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.

Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.

Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65ºС, то нужно уменьшить мощность нагрузки.

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

R0 – ограничивает пиковый ток, протекающий через диоды выпрямителя, в момент включения. В КЛЛ также часто выполняет функцию предохранителя.

VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.

L0, C0 – фильтр питания.

R1, C1, VD2, VD8 – цепь запуска преобразователя.

Работает узел запуска следующим образом. Конденсатор C1 заряжается от источника через резистор R1. Когда напряжения на конденсаторе C1 достигает напряжения пробоя динистора VD2, динистор отпирается сам и отпирает транзистор VT2, вызывая автоколебания. После возникновения генерации, прямоугольные импульсы прикладываются к катоду диода VD8 и отрицательный потенциал надёжно запирает динистор VD2.

R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.

R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.

R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.

R3, R4 – предотвращают насыщение транзисторов и исполняют роль предохранителей при пробое транзисторов.

VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.

TV1 – трансформатор обратной связи.

L5 – балластный дроссель.

C4, C6 – разделительные конденсаторы, на которых напряжение питания делится пополам.

TV2 – импульсный трансформатор.

VD14, VD15 – импульсные диоды.

C9, C10 – конденсаторы фильтра.

Энергосберегающие лампочки нашли широкое применение, как в бытовых, так и в производственных целях. Со временем любая лампа приходит в неисправное состояние. Однако при желании светильник можно реанимировать, если собрать блок питания из энергосберегающей лампы. При этом в качестве составляющих блока используется начинка вышедшей из строя лампочки.

Импульсный блок и его назначение

На обоих концах трубки люминесцентной лампы имеются электроды, анод и катод. В результате подачи электропитания компоненты лампы разогреваются. После нагрева происходит выделение электронов, которые сталкиваются со ртутными молекулами. Следствием происходящего становится ультрафиолетовое излучение.

За счет наличия в трубке люминофора осуществляется конвертация люминофора в видимое свечение лампочки. Свет появляется не сразу, а спустя определенный промежуток времени после подключения к электросети. Чем более выработан светильник, тем длительнее интервал.

Работа импульсного блока питания основывается на следующих принципах:

  1. Преобразование переменного тока из электросети в постоянный. При этом напряжение не меняется (то есть остается 220 В).
  2. Трансформация постоянного напряжения в прямоугольные импульсы за счет работы широтного импульсного преобразователя. Частота импульсов составляет от 20 до 40 кГц.
  3. Подача напряжения на светильник посредством дросселя.

Источник бесперебойного питания (ИБП) состоит из целого ряда компонентов, каждый из которых в схеме имеет свою маркировку:

  1. R0 — выполняет ограничивающую и предохраняющую роль в блоке питания. Устройство предотвращает и стабилизирует чрезмерный ток, идущий по диодам в момент подключения.
  2. VD1, VD2, VD3, VD4 — выступают в качестве мостов-выпрямителей.
  3. L0, C0 — являются фильтрами передачи электрического тока и защищают от перепадов напряжения.
  4. R1, C1, VD8 и VD2 — представляют собой цепь преобразователей, использующихся при запуске. В качестве зарядки конденсатора C1 используется первый резистор (R1). Как только конденсатор пробивает динистор (VD2), он и транзистор раскрываются, в результате чего начинается автоколебание в схеме. Далее прямоугольный импульс посылается на диодный катод (VD8). Возникает минусовой показатель, перекрывающий второй динистор.
  5. R2, C11, C8 — облегчают начало работы преобразователей.
  6. R7, R8 — оптимизируют закрытие транзисторов.
  7. R6, R5 — образуют границы для электротока на транзисторах.
  8. R4, R3 — используются в качестве предохранителей при скачках напряжения в транзисторах.
  9. VD7 VD6 — защищают транзисторы БП от возвратного тока.
  10. TV1 — является обратным коммуникативным трансформатором.
  11. L5 — балластный дроссель.
  12. C4, C6 — выступают как разделительные конденсаторы. Делят все напряжение на две части.
  13. TV2 — трансформатор импульсного типа.
  14. VD14, VD15 — импульсные диоды.
  15. C9, C10 — фильтры-конденсаторы.

Обратите внимание! На схеме ниже красным цветом отмечены компоненты, которые нужно удалить при переделывании блока. Точки А-А объединяют перемычкой.

Только продуманный подбор отдельных элементов и правильная их установка позволит создать эффективно и надежно работающий блок питания.

Отличия лампы от импульсного блока

Схема лампы-экономки во многом напоминает строение импульсного блока питания. Именно поэтому изготовить импульсный БП несложно. Чтобы переделать устройство, понадобятся перемычка и дополнительный трансформатор, который станет выдавать импульсы. Трансформатор должен иметь выпрямитель.

Чтобы сделать БП более легким, удаляется стеклянная люминесцентная лампочка. Параметр мощности ограничивается наибольшей пропускной способностью транзисторов и размерами охлаждающих элементов. Для повышения мощности необходимо намотать дополнительную обмотку на дроссель.

Переделка блока

Прежде чем начинать переделку БП, необходимо выбрать выходную мощность тока. От этого показателя зависит степень модернизации системы. Если мощность будет находиться в пределах 20-30 Вт, не понадобятся глубокие изменения в схеме. Если же запланирована мощность свыше 50 Вт, модернизация нужна более системная.

Обратите внимание! На выходе из БП будет постоянное напряжение. Получение переменного напряжения на частоте 50 Гц не представляется возможным.

Определение мощности

Вычисление мощности осуществляется согласно формуле:

В качестве примера рассмотрим ситуацию с блоком питания, имеющим следующие характеристики:

  • напряжение — 12 В;
  • сила тока — 2 А.

Вычисляем мощность:

P = 2 × 12 = 24 Вт.

Конечный параметр мощности будет больше — примерно 26 Вт, что позволяет учесть возможные перегрузки. Таким образом, для создания блока питания потребуется достаточно незначительное вмешательство в схему стандартной эконом-лампы на 25 Вт.

Новые компоненты

В число новых электронных компонентов входят:

  • диодный мост VD14-VD17;
  • 2 конденсатора C9 и C10;
  • обмотка на балластном дросселе (L5), количество витков которой определяется эмпирически.

Дополнительная обмотка выполняет еще одну важную функцию — является разделяющим трансформатором и защищает от проникновения напряжения на выходы ИБП.

Чтобы вычислить нужное количество витков в дополнительной обмотке, выполняются такие действия:

  1. Временно наносим обмотку на дроссель (приблизительно 10 витков провода).
  2. Стыкуем обмотку с сопротивлением нагрузки (мощность от 30 Вт и сопротивление 5-6 Ом).
  3. Подключаемся к сети и делаем замер напряжения при нагрузочном сопротивлении.
  4. Полученный результат делим на число витков и узнаем, сколько вольт приходится на каждый виток.
  5. Выясняем нужное количество витков для постоянной обмотки.

Более подробно порядок расчета показан ниже.

Для вычисления нужного количества витков планируемое напряжение для блока делим на напряжение одного витка. В результате получаем число витков. К итоговому результату рекомендуется прибавить 5-10 %, что позволит иметь определенный запас.

Не стоит забывать, что оригинальная дроссельная обмотка находится под сетевым напряжением. Если нужно намотать на нее новый слой обмотки, позаботьтесь о межобмоточном изоляционном слое. Особенно важно соблюдать данное правило, когда наносится провод типа ПЭЛ в эмалевой изоляции. В качестве межобмоточного изоляционного слоя подойдет политетрафторэтиленовая лента (толщина 0,2 миллиметра), которая позволит повысить плотность резьбовых соединений. Такую ленту используют сантехники.

Обратите внимание! Мощность в блоке ограничивается габаритной мощностью задействованного трансформатора, а также максимально возможным током транзисторов.

Самостоятельное изготовление блока питания

ИБП можно изготовить своими руками. Для этого понадобятся небольшие изменения в перемычке электронного дросселя. Далее выполняется подключение к импульсному трансформатору и выпрямителю. Отдельные элементы схемы удаляются ввиду их ненужности.

Если блок питания не слишком высокомощный (до 20 Вт), трансформатор устанавливать необязательно. Хватит нескольких витков проводника, намотанных на магнитопровод, расположенный на балласте лампочки. Однако осуществить эту операцию можно только при наличии достаточного места под обмотку. Для нее подходит, к примеру, проводник типа МГТФ с фторопластовым изоляционным слоем.

Провода обычно нужно не так много, поскольку практически весь просвет магнитопровода отдается изоляции. Именно этот фактор ограничивает мощность таких блоков. Для увеличения мощности потребуется трансформатор импульсного типа.

Отличительной характеристикой такой разновидности ИИП (импульсного источника питания) считается возможность его подстраивания под характеристики трансформатора. Кроме того, в системе нет цепи обратной связи. Схема подключения такова, что в особенно точных подсчетах параметров трансформатора нет необходимости. Даже если будет допущена грубая ошибка при расчетах, источник бесперебойного питания скорее всего будет функционировать.

Импульсный трансформатор создается на основе дросселя, на который накладывается вторичная обмотка. В качестве таковой используется лакированный медный провод.

Межобмоточный изоляционный слой чаще всего выполнен из бумаги. В некоторых случаях на обмотку нанесена синтетическая пленка. Однако даже в этом случае следует дополнительно обезопаситься и намотать 3-4 слоя специального электрозащитного картона. В крайнем случае используется бумага толщиной от 0,1 миллиметра. Медный провод накладывается только после того, как предусмотрена данная мера безопасности.

Что касается диаметра проводника, он должен быть максимально возможным. Количество витков во вторичной обмотке невелико, поэтому подходящий диаметр обычно выбирают методом проб и ошибок.

Выпрямитель

Чтобы не допустить насыщения магнитопровода в источнике бесперебойного питания, используют исключительно двухполупериодные выходные выпрямители. Для импульсного трансформатора, работающего на уменьшение напряжения, оптимальной считается схема с нулевой отметкой. Однако для нее нужно изготовить две абсолютно симметричные вторичные обмотки.

Для импульсного источника бесперебойного питания не подойдет обычный выпрямитель, функционирующий согласно схеме диодного моста (на кремниевых диодах). Дело в том, что на каждые 100 Вт транспортируемой мощности потери составят не менее 32 Вт. Если же изготавливать выпрямитель из мощных импульсных диодов, затраты будут велики.

Наладка источника бесперебойного питания

Когда собран блок питания, остается присоединить его к наибольшей нагрузке, чтобы проверить — не перегреваются ли транзисторы и трансформатор. Температурный максимум для трансформатора — 65 градусов, а для транзисторов — 40 градусов. Если трансформатор чересчур нагревается, нужно взять проводник с большим сечением или же увеличить габаритную мощность магнитопровода.

Перечисленные действия можно выполнить одновременно. Для трансформаторов из дроссельных балансов нарастить сечение проводника вероятнее всего не удастся. В этом случае единственный вариант — сокращение нагрузки.

ИБП высокой мощности

В некоторых случаях стандартной мощности балласта не хватает. В качестве примера приведем такую ситуацию: есть лампа мощностью 24 Вт и необходим ИБП для зарядки с характеристиками 12 B/8 A.

Для реализации схемы понадобится неиспользуемый компьютерный БП. Из блока достаем силовой трансформатор вместе с цепью R4C8. Данная цепочка защищает силовые транзисторы от чрезмерного напряжения. Силовой трансформатор соединяем с электронным балластом. В этой ситуации трансформатор заменяет дроссель. Ниже изображена схема сборки источника бесперебойного питания, основанная на лампочке-экономке.

Из практики известно, что данная разновидность блоков дает возможность получать до 45 Вт мощности. Нагревание транзисторов находится в рамках нормы, не превышая 50 градусов. Чтобы полностью исключить перегревание, рекомендуется вмонтировать в транзисторные базы трансформатор с большим сечением сердечника. Транзисторы ставят непосредственно на радиатор.

Потенциальные ошибки

Нет смысла упрощать схему, накладывая базовые обмотки непосредственно на силовой трансформатор. В случае отсутствия нагрузки возникнут немалые потери, поскольку в транзисторные базы станет поступать ток большой величины.

Если используется трансформатор с возрастанием тока нагрузки, повысится и ток в транзисторных базах. Эмпирически установлено, что после того, как показатель нагрузки доходит до 75 Вт, в магнитопроводе наступает насыщение. Результатом этого является снижение качества транзисторов и их чрезмерный нагрев. Чтобы не допустить такого развития событий, рекомендуется самостоятельно обмотать трансформатор, используя большее сечение сердечника. Также допускается складывание вместе двух колец. Еще один вариант состоит в использовании большего диаметра проводника.

Базовый трансформатор, выступающий в качестве промежуточного звена, можно удалить из схемы. С этой целью токовый трансформатор присоединяют к выделенной обмотке силового трансформатора. Делается это с использованием высокомощного резистора на основе схемы обратной коммуникации. Минусом такого подхода является постоянное функционирование трансформатора тока в условиях насыщения.

Недопустимо подключение трансформатора вместе с дросселем (находится в преобразователе балласта). В противном случае из-за снижения общей индуктивности возрастет частота ИБП. Следствием этого станут потери в трансформаторе и чрезмерный нагрев транзистора выпрямителя на выходе.

Нельзя забывать о высокой отзывчивости диодов к повышенным показателям обратного напряжения и тока. К примеру, если поставить в схему на 12 вольт 6-вольтовый диод, данный элемент быстро придет в негодность.

Не следует менять транзисторы и диоды на низкокачественные электронные компоненты. Рабочие характеристики элементной базы российского производства оставляют желать лучшего, и результатом замены станет снижение функциональности источника бесперебойного питания.

Когда нужно получить 12 Вольт для светодиодной ленты , или еще для каких то целей, есть вариант сделать такой блок питания своими руками.

Схема блока питания из лампочки


Так как основной причиной выхода из строя компактных люминесцентных ламп является перегорание одной из нитей накала колбы, то практически их все можно переделать под импульсный блок питания с нужным напряжением.

В данном конкретном случае я переделывал схему электронного балласта 15 ваттной лампочки в импульсный блок питания 12 вольт 1 ампер.


Каждый производитель ламп имеет свои собственные наборы деталей с определенными номиналами в схемах изготавливаемых электронных балластов, но все схемы типовые. Поэтому на схеме я не приводил всю схему лампы, а указал только ее типовое начало и обвязку колбы лампы. Схема электронного балласта нарисована черным и красным цветом. Красным – выделены колба и конденсатор, подсоединенный к двум нитям накала. Их следует удалить. Зеленым цветом на схеме указаны элементы которые нужно добавить. Конденсатор С1 – следует заменить большей емкости, например, 10-20u 400v.


В левой части схемы добавлен предохранитель и входной фильтр. L2 выполнен на кольце от материнской платы, имеет две обмотки по 15 витков проводом от витой пары Ø – 0.5 мм. Кольцо имеет наружный диаметр 16мм, внутренний – 8,5мм, ширину – 6,3мм. Дроссель L3 имеет 10 витков Ø – 1 мм, выполнен на кольце от трансформатора другой энергосберегающей лампы.

Следует выбирать лампу с большей пустотой окна дросселя Tr1, так как его необходимо будет переделать в трансформатор. У меня получилось намотать по 26 витков Ø – 0.5 мм на каждую из половины вторичной обмотки. Такой вид намотки требует идеально симметричных половин обмотки. Чтобы добиться этого, рекомендую мотать вторичную обмотку сразу в два провода, каждый из которых будет служить симметричной половиной друг друга.

Транзисторы оставил без радиаторов, т.к. предполагаемое потребление схемы меньше мощности, которую потребляла лампа. В качестве теста было подключено на максимальное свечение на 2 часа 5 метров RGB светодиодной ленты, потреблением 12v 1A.


Подключение мощных светодиодов в осветительных устройствах осуществляется через электронные драйверы, которые стабилизируют ток, на своём выходе.

В наше время большое распространение получили так называемые энергосберегающие люминисцентные лампы (компактные люминисцентные лампы –КЛЛ).Но со временем они выходят из строя. Одна из причин неисправности –перегорание нити накала лампы. Не спешите утилизировать такие лампы потому, что в электронной плате содержатся много компонентов которые можно использовать в дальнейшее в других самодельных устройствах. Это дроссели, транзисторы, диоды, конденсаторы. Обычно, у этих ламп электронная плата исправна, что дает возможность использования в качестве блока питания или драйвера для светодиода. В результате таким образом получим бесплатный драйвер для подключения светодиодов, тем более это интересно.

Можно посмотреть процесс изготовления самоделки в видео:

Перечень инструментов и материалов
-энергосберегающая люминисцентная лампа;
-отвертка;
-паяльник;
-тестер;
-светодиод белого свечения 10вт;
-эмальпровод диаметром 0,4мм;
-термопаста;
-диоды марки HER, FR, UF на 1-2А
-настольная лампа.

Шаг первый. Разборка лампы.
Разбираем энергосберегающую люминисцентную лампу аккуратно поддев отверткой. Колбу лампы нельзя разбивать так, как внутри находятся пары ртути. Прозваниваем нити накала колбы тестером. Если хоть одна нить показывает обрыв, значит колба неисправна. Если есть исправная аналогичная лампа, то можно подключить колбу от нее к переделываемой электронной плате, чтобы удостовериться в ее исправности.


Шаг второй. Переделка электронного преобразователя.
Для переделки я использовал лампу мощностью 20Вт, дроссель которой выдержать нагрузку до 20 Вт. Для светодиода мощностью 10Вт это достаточно. Если нужно подключить более мощную нагрузку, можно применить электронную плату преобразователя лампы с соответственной мощности, или поменять дроссель с сердечником большего размера.

Также возможно запитать светодиоды меньшей мощности, подобрав требуемое напряжение количеством витков на дросселе.
Смонтировал перемычки из провода в на штырьках для подключения нитей накала лампы.


Поверх первичной обмотки дросселя нужно намотать 20 витков эмальпровода. Затем припаиваем вторичную намотанную обмотку к выпрямительному диодному мостику. Подключаем к лампе напряжение 220В и измеряем напряжение на выходе с выпрямителя. Оно составило 9,7В. Светодиод, подключенный через амперметр, потребляет ток в 0,83А. У этого светодиода номинальный ток равен 900мА, но чтобы увеличить его ресурс в работе специально занижено потребление по току. Диодный мостик можно собрать на плате навесным монтажом.

Схема переделанной электронной платы преобразователя. В результате из дросселя получаем трансформатор с подключенным выпрямителем. Зеленым цветом показаны добавленные компоненты.


Шаг третий. Сборка светодиодной настольной лампы.
Патрон для лампы на 220 вольт убираем. Светодиод мощностью 10Вт установил на термопасту на металлический абажур старой настольной лампы. Абажур настольной лампы служит теплоотводом для светодиода.


Электронную плату питания и диодный мост разместил в корпусе подставки настольной лампы.

Как починить энергосберегающую лампу? | Ремонтируем и чиним вместе!

Несмотря на обещанный продолжительный срок службы энергосберегающей лампы, она вышла из строя? Не стоит тут же ее выбрасывать. Еще не все потеряно — есть высокая вероятность ее починить. Казалось бы, как починить энергосберегающую лампу? Ответ прост. Конечно, весь секрет заключается в том, что Вам понадобиться не одна, а как минимум две вышедшие из строя «экономки».

Чаще всего современные энергосберегающие лампы выходят из строя по причине поломки спирали накаливания, либо же в случае неисправности электронной схемы. Без тщательного разбора самой лампы причину поломки выяснить не удастся. Чтобы разобрать такую лампу Вам понадобиться отвертка, с помощью которой следует поддевать соединительные элементы, которые располагаются у основания цоколя лампы. Разобрать лампочку нужно так, чтобы спираль накаливания находилась в одной из разобранных частей, а электронная схема — в другой. Разумеется, полностью разъединить обе части не получится — между ними останется проводное соединение.

Затем, следует аккуратно извлечь электронную схему из той части лампы, которая входит в патрон. Накалы колбы потребуется «прозвонить», чтобы окончательно определиться, можно ли использовать такую лампу в дальнейшем, или же восстановлению она уже не подлежит. В том случае, когда имеет место выход из строя спиралей накала (одной или двух), такую лампу починить уже не получится. Тем не менее, электрическую схему необходимо сохранить. Таким образом, из двух энергосберегающих ламп, в одной из которых вышла из строя электрическая схема, а в другой — спираль накаливания, можно легко собрать одну работоспособную лампу. Главное, подобрать провода соответствующего сечения.

Если же в наличии имеется всего одна нерабочая энергосберегающая лампа, то электронную плату лучше сохранить. Она прекрасно может быть использована для дальнейшей модернизации лампы дневного света. Достаточно будет припаять четыре провода от лампы дневного света на изъятую ранее плату. Два провода следует подсоединить на каналы, два другие — на электрическую розетку. И все! Лампу можно включать.

Нужно также учесть тот факт, что сами «экономки» не всегда позволяют достичь желаемого эффекта. Возможно, придется прибегнуть к оптимизации системы освещения в квартире. Такое решение может стать более целесообразным, если речь идет о частном доме.

«ОЖИВЛЕНИЕ» ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЛАМПЫ | МОДЕЛИСТ-КОНСТРУКТОР

Люминесцентные энергосберегающие лампы в последнее время становятся всё более популярными, несмотря на свою довольно высокую стоимость. И действительно, всем хороши эти источники света, кроме одной несуразности, портящей их репутацию. Адаптированные под стандартный электропатрон Е27 лампы (фото 1) имеют слишком большую (по диаметру) центральную контактную площадку и при вкручивании их в патрон нередки случаи, когда площадка замыкает в нём оба контакта.

Следствием этого является электрическая дуга и выгорание контактной площадки в цоколе энергосберегающей лампы, а то и самого патрона. Причём, если в доме установлены по фазе и нулевому проводу выключатели-автоматы на 25 А (и больший ток), они не успевают сработать — лампа становится непригодной для дальнейшего использования. Можно попробовать сдать сгоревшую лампу обратно в магазин или обменять на исправную — ведь, по сути, виноват скорее производитель лампы, нежели изготовитель патрона, тем более если учесть, что последний ранее отлично работал с обычными электрическими лампами накаливания. Если же получите отказ, а новую лампу покупать накладно, да и рискованно (а вдруг опять сгорит!), то можно восстановить работу энергосберегающей повреждённой лампы.

Делается это так.

Выгоревший цоколь лампы аккуратно снимают, и тогда взорам мастера предстаёт электронная плата преобразователя напряжения, подключаемая двумя проводниками к контактам цоколя, а четырьмя контактами уходящая в стеклянную трубку (имеющую прямую или спиральную форму) люминесцентной лампы.

Как правило, электрическая дуга, вызванная коротким замыканием в патроне (цоколе), из-за широкой площадки энергосберегающей лампы не повреждает электронику преобразователя, поэтому лампу легко восстановить, припаяв новые соединительные проводники к контактным площадкам на плате и подключив её в сеть 220 В, например, с помощью шнура со стандартной штепсельной вилкой.

Если же электронная плата преобразователя напряжения тоже повреждена. её удаляют вместе с неисправными элементами и делают новый преобразователь напряжения. Простая электрическая схема такого преобразователя приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Электрическая схема преобразователя напряжения для люминесцентной лампы мощностью до 8 Вт

Фото 1. Энергосберегающая лампа EL-3U 

Четыре вывода люминесцентной лампы (по два с каждой стороны трубки) подключают, как показано на схеме. После такой несложной доработки лампа ещё послужит долго.

Доработка (восстановление) энергосберегающей лампы (по типу изображённой на фото 1) с помощью схемы (на рисунке 1) можно осуществить только в том случае, если потребляемая мощность энегросберегающей лампы не превышает 8 Вт (об этом есть запись на цоколе каждой люминесцентной лампы), что соответствует примерно силе света от лампы накаливания мощностью 60 Вт.

Таким же способом можно «оживить» и 4-контактные миниатюрные люминесцентные лампы, устанавливаемые в светильниках и ночниках (фото 2, рис.2).

Однажды в процессе работы над сгоревшей лампой путём эксперимента выяснилась ещё одна интересная деталь. При прикосновении пальцами рук к стеклу люминесцентной лампы, подключенной в сеть 220. В одним проводом, (цепь разомкнута включателем (ток не протекает), лампа загорается. Это вызвано тем, что на один из контактов лампы всё же поступает «фаза» сети, а человеческая рука (через стекло колбы) является источником наведённого в теле человека небольшого переменного напряжения.

   

Фото 2. Лампы из светильников и их плата питания

Если пойти дальше и воздействовать на расстоянии 5 — 10 см от колбы лампы, включённой на передачу портативной радиостанцией (частота передачи радиосигнала значения не имеет, мощность передачи 5 Вт), лампа загорится столь же ярко, как если бы была включена в сеть 220 В.

Таким образом, неработающую энергосберегающую лампу (при условии её подключения к осветительной сети 220 В) можно «оживить» и зажечь самым необычным способом. Это позволяет применить данную методику даже для фокусов, демонстрируемых непосвящённым, основанных между тем на обычных физических явлениях.

А. КАШКАРОВ, г. Санкт-Петербург

Рекомендуем почитать

  • ПАСЫНКИ СТАНОВЯТСЯ ФАВОРИТАМИ
    Метаморфозы, которые претерпел класс десантных судов за свою не очень долгую историю, поистине удивительны. Еще накануне второй мировой войны редкие специально построенные для высадки…
  • ВЕШАЛКА ДЛЯ… КРЫШЕК
    Аккуратным хозяйкам на кухне больше всего мешаются крышки: ведь если разнокалиберные кастрюли удобно держать одна в одной, то их крышки при этом образуют неустойчивую горку, то и дело…
Навигация записи

Восстановление контактной площадки энергосберегающей лампы

   Энергосберегающие (люминесцентные) лампы, столь популярные в последнее время на всей территории постсоветского пространства, всем хороши, кроме одной несуразности, портящей все передовые технологии, с помощью^ которых в свое время создали «дневной свет». Адаптированные под стандартный электропатрон Е27 (есть варианты под Е14), энергосберегающие лампы имеют слишком большую (по диаметру) центральную контактную площадку. При установке такой лампы (см. рис. 4.3 в главе 4) в патрон нередки случаи (особенно с новыми патронами, «зробленными» халтурно), когда центральная площадка лампы замыкает оба контакта в патроне.

   Следствием этого являются электрическая дуга и выгорание всей контактной площадки в цоколе энергосберегающей лампы, а то и самого патрона. Причем если в доме установлены по фазе и нулевому проводу выключатели-автоматы на 25 А (и больший ток) – они так и не успевают сработать, лампа становится непригодной.

   Можно отнести ее обратно в магазин и попытаться обменять на исправную, ведь, по сути дела, виноват скорее производитель лампы, нежели производитель патрона, тем более если патрон уже ранее опробован с обычными электрическими лампами накаливания.

   А можно восстановить работу энергосберегающей лампы.

   «Выгоревший» цоколь лампы аккуратно снимают, и тогда взорам мастера предстает электронная плата преобразователя напряжения, двумя проводниками подключаемая к контактам цоколя (для питания от осветительной сети 220 В), а четырьмя контактами уходящая к люминесцентной лампе (имеющей прямую или спиральную форму).

   Как правило, электрическая дуга, вызванная коротким замыканием в патроне (цоколе), из-за широкой площадки энергосберегающей лампы не повреждает электронику преобразователя, поэтому лампу удается восстановить, припаяв новые соединительные проводники к контактным площадкам на плате и подключив ее в сеть 220 В, например с помощью шнура со стандартной штепсельной вилкой.

   Если же электронная плата преобразователя напряжения повреждена, придется сделать новый преобразователь напряжения. Простая электрическая схема преобразователя приведена на рис. 5.1.

   Четыре вывода люминесцентной лампы (по две с каждой стороны трубки) подключают, как показано на схеме. Предшествующую (промышленную) плату с неисправными элементами удаляют. После такой несложной доработки лампа еще послужит долго.

   Доработка (восстановление) энергосберегающей лампы (по типу изображенной на рис. 4.3) с помощью схемы на рис. 5.1 можно осуществить только в том случае, если потребляемая мощность энергосберегающей лампы не превышает 8 Вт (об этом есть запись на цоколе каждой люминесцентной лампы), что соответствует примерно силе света от лампы накаливания мощностью 60 Вт.

   Таким способом можно «оживить» 4-контактные миниатюрные люминесцентные лампы, установленные в светильниках и ночниках (см. рис. 5.2).

   Рис. 5.1. Электрическая схема преобразователя напряжения для люминесцентной лампы мощностью до 8 Вт

   Рис 5.2 Лампы из светильников и их плата питания

   В процессе работы над статьей путем эксперимента выяснилась еще одна интересная деталь. При прикосновении пальцами рук человека к стеклу люминесцентной лампы, подключенной в сеть 220 В одним проводом (цепь разомкнута включателем (ток не протекает)), лампа загорается. Это вызвано тем, что на один из контактов лампы все же поступает «фаза» сети, а человеческая рука (через стекло колбы) является источником наведенного в теле человека небольшого переменного напряжения.

   Если пойти дальше и воздействовать на расстоянии 5-10 см от колбы лампы включенной на передачу портдтивной радиостанцией (частота передачи радиосигнала значения не имеет, мощность передачи 5 Вт), лампа загорится столь же ярко, как если бы была включена в сеть 220 В.

   Таким образом, неработающую энергосберегающую лампу (при условии ее подключения к осветительной сети 220 В) можно «оживить» и зажечь самым необычным способом. Это позволяет применить данную методику даже для фокусов, демонстрируемых непосвященным, основанным, между тем, на обычных физических явлениях.

Литература: Кашкаров А. П. Электронные устройства для уюта и комфорта.

Блок Питания из энергосберегающей лампы



случае выхода из строя электронного балласта, его можно отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают. Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя.

Посмотрим, что там на ней есть интересного.


— Диоды — 6 шт. Высоковольтные (220 Вольт) обычно маломощные.

— Дроссель. Убирает помехи по сети.

— Транзисторы средней мощности обычно MJE13003.

— Высоковольтный электролит. Емкость небольшая (4,7 мкФ), на 400 вольт.

— Конденсаторы разной емкости, все на 250 вольт.

— Два высокочастотных трансформатора.

— Несколько резисторов.

Назначение элементов схемы импульсного блока питания.

R0 – ограничивает пиковый ток, протекающий через диоды выпрямителя, в момент включения, также часто выполняет функцию предохранителя.

VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.

L0, C0 – фильтр питания.

R1, C1, VD2, VD8 – цепь запуска преобразователя.

Работает узел запуска следующим образом. Конденсатор C1 заряжается от источника через резистор R1. Когда напряжения на конденсаторе C1 достигает напряжения пробоя динистора VD2, динистор отпирается сам и отпирает транзистор VT2, вызывая автоколебания. После возникновения генерации, прямоугольные импульсы прикладываются к катоду диода VD8 и отрицательный потенциал надёжно запирает динистор VD2.

R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.

R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.

R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.

R3, R4 – предотвращают насыщение транзисторов и исполняют роль предохранителей при пробое транзисторов.

VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.

TV1 – трансформатор обратной связи.

L5 – балластный дроссель.

C4, C6 – разделительные конденсаторы, на которых напряжение питания делится пополам.

TV2 – импульсный трансформатор.

VD14, VD15 – импульсные диоды.

C9, C10 – конденсаторы фильтра.

Отличие схемы лампы от импульсного БП.

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп.

Для предобразования схемы эконом лампы в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые нужно удалить.

А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе эконом лампы с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Импульсный трансформатор для блока питания.

Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока.

Блоки питания, собранные по этим схемам почти всегда прощают ошибки в расчётах. 

Намотать импульсный трансформатор не так уж и сложно.

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить более мощным.

Если требуется компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мыльниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, их ёмкость примерно 100µF х 350V.


Блок питания мощностью 20 Ватт.

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор.

Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода.

Был использован провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции).

Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание!

Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой,

хотя часто бывает, что обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное.

Количество витков подбирается экспериментальным путём, (их будет немного).


Таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт.

Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц.

Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц Температура трансформатора – 60ºС

Температура транзисторов – 42ºС

Блок питания мощностью 100 Ватт.

Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2 и увеличить ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

В данном электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин.

Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже.

Лучше их заменить транзисторами 13007 поз.2

с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами.

Кроме того, 13007 имеют в несколько раз большие предельно-допустимые токи. Можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор.

Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

Изображение соединения транзистора с радиатором:

1.           Винт М2,5.

2.           Шайба М2,5.

3.           Шайба изоляционная М2,5.

4.           Корпус транзистора.

5.           Прокладка – отрезок трубки (кембрика).

6.           Прокладка – слюда, керамика, фторопласт и т.д.

7.           Радиатор охлаждения.


Внимание!

Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

Выпрямитель.

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодными. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

1. Мостовая схема.

2. Схема с нулевой точкой.

Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

Пример.

Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ват.

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

Обратите внимание на это, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности.

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой.

Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода.

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

Для наладки импульсных блоков питания обычно используют такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.

При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы нагревается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку исследуемого ИБП от осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

Как наладить импульсный блок питания?

Блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.

Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.

Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.

Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.

Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65ºС, то нужно уменьшить мощность нагрузки.

Не рекомендуется доводить температуру трансформатора выше 60… 65ºС, а транзисторов выше 80… 85ºС.

Energy Saving Automatic LED Light Controller Circuit

В сообщении обсуждается интересная конструкция энергосберегающей схемы освещения, которая включается только тогда, когда это логически необходимо, что помогает экономить электроэнергию, а также увеличивает срок службы всей системы.

Технические характеристики

Hello Swagatam,

Спасибо за ответ, подробности, которые вы задали, таковы:
1. Схема солнечного зарядного устройства для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов.
2.мой проект требует, чтобы в комнате, если кто-то присутствует, всегда горели светодиоды.
3. Если естественное освещение хорошее, оно должно приглушить его.
4. Если в комнате никого нет, то через 1-2 минуты он должен выключиться.
5. Положение о закрытии в праздничные дни.
Все, что мне нужно, — это освещать мою кафедру во время учебы в колледже или после, если необходимо, с использованием солнечной энергии напрямую или от батареек.

Я действительно рассчитываю на вас, У меня нет никого, кто мог бы научить меня этому, и я много сделал это, но это не работает.

Дизайн

AS По запросу следующая энергосберегающая интеллектуальная световая схема состоит из трех отдельных ступеней, а именно: ступень датчика PIR, ступень светодиодного модуля и ступень контроллера ШИМ света, состоящая из пары IC555.

Давайте разберемся в различных этапах с помощью следующих пунктов:

Верхний каскад, состоящий из модуля датчика PIR и связанной схемы, образует стандартный этап пассивного инфракрасного датчика.

В присутствии людей в указанном диапазоне датчик обнаруживает его, и его внутренняя схема преобразует его в разность потенциалов, так что он подается на базу первого транзистора NPN.

Вышеупомянутый триггер активирует оба транзистора, которые, в свою очередь, включают светодиоды, подключенные к коллектору TIP127.

Вышеупомянутый этап гарантирует, что свет будет включен только во время присутствия людей в непосредственной близости и выключен, когда вокруг никого нет. C5 гарантирует, что свет не выключается сразу в отсутствие людей, а не через несколько секунд задержки.

Использование ШИМ

Далее мы видим два каскада IC 555, которые сконфигурированы как стандартные каскады нестабильного и ШИМ-генератора.C1 определяет частоту ШИМ, в то время как резистор R1 может использоваться для оптимизации правильного отклика схемы.

Выход ШИМ подается на базу транзистора TIP127. Это означает, что когда импульсы ШИМ состоят из более широких импульсов, транзистор остается выключенным в течение более длительных периодов времени, и наоборот.

Это означает, что с более широкими ШИМ светодиоды будут слабее с их интенсивностью, и наоборот.

Все мы знаем, что выход ШИМ микросхемы 555 (как настроено в правой части) зависит от уровня напряжения, подаваемого на ее управляющий вывод №5.

При более высоких напряжениях, приближающихся к уровню питания, выход ШИМ становится шире, в то время как напряжение, приближающееся к нулевой отметке, делает ШИМ с минимальной шириной.

Каскад делителя потенциала, выполненный с помощью R16, R17 и VR2, выполняет указанную выше функцию, так что ИС реагирует на внешние условия внешней освещенности и генерирует необходимые оптимизированные ШИМ для реализации функций затемнения светодиодов.

R16 — это фактически LDR, который должен получать ТОЛЬКО свет от внешнего источника, входящего в комнату.
Когда внешний свет яркий, LDR предлагает более низкое сопротивление, тем самым увеличивая потенциал на выводе № 5 IC. Это побуждает IC генерировать более широкие PWM, заставляя светодиоды тускнеть.

При низком уровне внешней освещенности LDR предлагает более высокое сопротивление, вызывая противоположные результаты, то есть теперь светодиоды начинают пропорционально становиться ярче.

Поток 220K может быть отрегулирован для получения наилучшего возможного отклика от каскада IC 555 в соответствии с индивидуальными предпочтениями.

Согласно запросу, указанная выше схема должна питаться от аккумулятора, заряжаемого от схемы контроллера солнечного зарядного устройства. Я объяснил многие схемы контроллера солнечного зарядного устройства в этом блоге, ПОСЛЕДНЯЯ ЦЕПЬ, указанная в статье, может быть использована для настоящего приложения.

Энергосберегающие лампы и электронные балласты




  1. Введение
  2. Газоразрядные лампы и газоразрядные лампы высокой интенсивности
  3. Введение в балласты
  4. Некоторые определения и оценка рабочих характеристик
  5. Обычные балласты
  6. Высокочастотный резонансный балласт
  7. Новое поколение балластов
  8. Балласты для коррекции коэффициента мощности и диммирования
  9. Сравнение компактных люминесцентных ламп с использованием магнитных и электронных Балласты
  10. Дальнейшие разработки электронных балластов
  11. Список литературы

1 Введение

С момента первого энергетического кризиса, с которым мир столкнулся в 1970-х гг. к внезапному и неожиданному удорожанию нефтяного топлива), электричество промышленность пытается удовлетворить растущие мировые потребности в энергии за счет строительство большего количества электростанций, не зависящих от нефти, или поиск других нетрадиционные источники энергии, такие как солнечная энергия.В 90-е годы однако появилась новая концепция под названием «негаватт» — идея о том, что инвестиции в энергосбережение часто приносят более высокую прибыль, чем инвестиции в новые электростанции — набирают популярность.

Согласно этой точке зрения, спрос на электроэнергию может быть ограничен путем сопоставления подходящая и эффективная технология для каждой задачи по использованию энергии.

Примером могут служить электрические лампы

. Спустя столетие после его изобретения электрическая лампа накаливания до сих пор остается одним из самых популярных в мире способов обеспечение искусственного освещения как в промышленности, так и в домашнем хозяйстве, несмотря на то, что лампа накаливания дает сравнительно наименьший светоотдача при заданном количестве потребляемой электроэнергии.Эта фигура известная как световая отдача или светоотдача, вряд ли была улучшена любой новой технологией, что касается лампы накаливания.

Другой наиболее популярный источник электрического освещения — люминесцентные лампы. лампа, в которой используется принцип дугового разряда через газ при низком давлении для получения видимого света. Освещение по принципу газового разряда существует более пятидесяти лет и почти все новые исследования и разработки в области повышения эффективности освещения была сосредоточена в основном на технологии люминесцентных ламп.Например, в Соединенных Штатах было подсчитано, что люминесцентные лампы производят заводом, строительство которого стоит восемь миллионов долларов, сэкономит электроэнергию стоимостью один миллиард долларов, что эквивалентно стоимости электростанции мощностью 700 МВт.

Таким образом, словосочетание «энергосберегающие лампы» в основном является синонимом. с новой технологией, разрабатываемой для улучшения люминесцентных ламповая техника.

В частности, совместная разработка маломощных люминесцентных ламп. с высокоэффективными электронными балластами (требуется вспомогательная цепь для управления работой газоразрядной лампы) является основным направлением деятельности светотехническая промышленность сегодня.

В этом разделе представлен обзор этих новых методов энергосбережения. применительно к люминесцентным лампам. Использование модема для конкретного приложения Интегральные схемы (ASIC) в практических электронных балластах, а также обсуждаются некоторые технологии магнитного балласта. В этом разделе также представлены набор определений, единиц и мер для оценки и сравнение производительности разных типов ламп.

2. Газоразрядные лампы и газоразрядные лампы высокой интенсивности

2.1 Люминесцентная лампа

Люминесцентная лампа, впервые разработанная в 1930-х годах, состоит из трубка, покрытая изнутри флуоресцентным порошком или люминофором. Трубка содержит пары ртути под низким давлением с небольшим количеством инертный газ, способствующий воспламенению разряда. Ставятся два электрода на обоих концах трубы и сконструированы таким образом, чтобы работать как лампы с горячим или холодным катодом.

Лампы с горячим катодом содержат электроды из вольфрамовых нитей с покрытием и обычно нагреваются до температуры испускания электронов до возникновения дуги. удары.Нагретые катоды способствуют снижению падения напряжения около 10 до 12 вольт на электродах, что позволяет сэкономить примерно 3 Вт на лампу.

В лампах с холодным катодом используются электроды с покрытием из железа или никеля. Напряжение падение на электродах этих ламп относительно высокое (50 В и выше) но они демонстрируют более длительный срок службы из-за низких рабочих температур.

Работа люминесцентной лампы состоит, прежде всего, в установлении постоянного электрическая дуга между двумя катодами.Воздействие этих электронов на атомы паров ртути излучают в основном невидимый ультрафиолетовый свет который затем преобразуется в видимый свет за счет явления флуоресценции. люминофорного покрытия на трубке. Химический состав люминофора поэтому покрытие в основном отвечает за цвет излучаемого света. а также частично из-за эффективности лампы.

Стандартная люминесцентная лампа с обычным галофофорным покрытием. производит более белый цвет, чем лампа накаливания.Добавляем тонкое пальто более дорогого трифосфора можно улучшить цветопередачу и увеличить эффективность.

В целом люминесцентная лампа является широко используемым источником света с хорошая эффективность около 90 люкс / ватт без учета потерь мощности в балласте. Когда эти потери включены, эффективность снижается примерно до 75 люкс / ватт, что по-прежнему намного лучше, чем у лампы накаливания. лампа (см. рис. 1).


РИС. 1 Сравнение ламп, люмен на ватт

2,2 Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)

Компактная люминесцентная лампа не отличается принципом действия. от стандартной люминесцентной лампы, однако КЛЛ были разработаны с учетом некоторые из фундаментальных возражений против широкого применения линейные люминесцентные лампы во многих жилых, коммерческих и промышленных Приложения. Громоздкий магнитный балласт, мерцание света и иногда слышимый шум, создаваемый магнитным балластом, был одной из причин из-за непопулярности люминесцентной лампы как светильника общего назначения источник.

КЛЛ преодолевает мерцание, работая лампой на частоте кГц. диапазон и избавляет от необходимости внешнего балласта за счет включения полностью электронный балласт в основании люминесцентной лампы. Таким образом, КЛЛ предназначены и могут напрямую заменять лампы накаливания. без каких-либо внешних вспомогательных устройств.


РИС. 2 показывает базовую блок-схему компактного люминесцентного напольная лампа.

Обратите внимание, что фильтр электромагнитных помех (EMI) и коэффициент мощности блоки управления обусловлены наличием электроники для AC / DC Преобразование постоянного / переменного тока высокочастотных цепей преобразования внутри корпуса.

2,3 Газоразрядные лампы высокой интенсивности (HID)

Это общий термин для группы ламп, включая ртутные лампы, металлогалогенные лампы и натриевые лампы высокого давления.

Ртутно-паровая лампа — это электроразрядная лампа высокого давления, в которой большая часть излучения возникает при возбуждении атомов ртути. Для начала разряда недостаточно включить нормальное сетевое напряжение. между основными электродами.Однако он может начаться с очень короткого расстояние между основным и вспомогательным электродами, вспомогательным электродом подключается к клемме лампы через высокий резистор для ограничения электрический ток.


РИС.
2 Блок-схема CFL

Начальный разряд происходит при небольшом количестве аргона. Разряд теперь быстро распространяется, пока не окажется между основными электродами. В Разряд аргона нагревает трубку и испаряет ртуть.Разряд затем происходит в парах ртути, а влияние аргона незначительно. Эффективность лампы составляет около 60 люкс / ватт.

Металлогалогенная лампа — это электрическая газоразрядная лампа, в которой свет создается излучением возбужденной смеси металлических паров (ртуть и продукты диссоциации галогенидов). Их конструкция аналогичен ртутным лампам высокого давления, добавлен ряд йодидов для заполнения пробелов в световом спектре, улучшая цветовые характеристики света.Их эффективность также выше (до 80 люкс / ватт). Натрий Лампа содержит неон в дополнение к металлическому натрию при низком давлении. Тепло производится начальным неоновым разрядом. Это заставляет натрий выделения, дающие натриево-желтый цвет. Цвет вызван возбуждением паров натрия. Для достижения полного освещения требуется около десяти минут. Развитием этого является натриевая лампа высокого давления, которая при высоком давлении имеет расширенный спектр, чтобы обеспечить адекватное покрытие всех цветов, натрия паровые лампы имеют очень высокую эффективность до 150 люкс / ватт.

Люминесцентные лампы

популярны, потому что они обеспечивают более длительный срок службы, чем накаливания и потребляют меньше энергии. Кроме того, их низкая интенсивность даже освещение предпочтительнее почти во всех помещениях. Высокая интенсивность Газоразрядные лампы используются в основном на открытом воздухе для освещения больших такие области, как улицы, автостоянки и т. д.

3 Введение в балласты

Балласты люминесцентных ламп — устройства, устанавливаемые в светильники люминесцентных ламп. чтобы регулировать напряжение и ток, подаваемые на лампы.В ПРА в цепи люминесцентной лампы выполняет двоякие функции. Первый, он должен обеспечивать подходящее напряжение зажигания на колбе. при запуске так, чтобы между электродами могла сохраняться электрическая дуга. после. Во-вторых, балласт отвечает за ограничение тока. течь через лампу во время ее нормальной работы. Эти два требования балласта можно объяснить с помощью типичных временных характеристик импеданса. кривая газоразрядной лампы, показанная на рис.3.

Поскольку начальное сопротивление велико, напряжение зажигания, необходимое для зажигания дуга также будет выше, чем нормальное рабочее напряжение люминесцентного напольная лампа.

Сразу после зажигания лампы полное сопротивление падает до минимума. значение, представляющее отрицательную характеристику сопротивления, которая требует некоторых форма ограничения тока для предотвращения разрушения лампы из-за чрезмерного тока.

В то время как первые магнитные балласты (индукторного типа) выполняли два необходимых требования к балласту, современные электронные балласты могут выполнять многие другие функции, такие как резонансный режим, защита от отключения лампы, отказ или снятие, а также диммирование и т. д.Эти и другие подобные техники будут подробно обсуждены в следующих разделах.

Следует также отметить, что люминесцентная лампа сама по себе резистивная нагрузка, включение балласта (магнитного или электронного type) может вызвать потенциально нежелательные условия, такие как как низкий коэффициент мощности, гармоники высокого порядка и электромагнитные помехи. Как мы увидим позже в этом разделе, многие производители ИС придумали с передовыми продуктами, которые вполне удовлетворительно решают эти проблемы.


РИС. 3 Импедансно-временные характеристики разряда лампа

4 Некоторые определения и оценка эффективности

Первичным показателем эффективности электрической лампы является ее общая выходной световой поток на ватт входной мощности. Для сравнения производительности между различными источниками света, твердые определения задействованные условия необходимы.

4,1 Световой поток

Общее количество визуально оцениваемого излучения (т.е.е., свет) испускается в секунду от источника света называется световым потоком и измеряется в люмен. Термин «визуально оцениваемое излучение» относится к тот факт, что люди способны видеть только часть спектра электромагнитных радиация.

Более того, чувствительность человеческого глаза сильно различается в зависимости от длины волн в этой полосе частот. Световой поток, измеренный в люменах учитывает оба этих фактора и, таким образом, нет прямое соответствие между энергией излучения, испускаемой за секунду источник света и его световой поток.

4,2 Световая отдача

Выходной световой поток электрической лампы на ватт входной мощности определяется как световая отдача лампы. Обычно это выражается в люмен / ватт:

Световая отдача = Световой поток / Потребляемая мощность

Световая отдача иногда также обозначается как люмен на ватт или lpw рейтинг лампы. Согласно действующим стандартам, световая отдача люминесцентной лампы необходимо измерять с учетом потребляемой мощности балласта.

4,3 Пик-фактор тока

Current Crest Factor — это отношение пикового тока лампы к действующий ток.

Пик-фактор тока = пиковый ток / среднеквадратичный ток

Учитывается форма волны тока лампы. Максимальный гребень коэффициент, рекомендованный производителями ламп, чтобы не снижать срок их службы составляет около 1,7.

4,4 Балластный фактор

Балластный коэффициент — это отношение светоотдачи лампы к световому потоку. от балласта до светоотдачи лампы в соответствии с ANSI (Американский национальный Standards Institution) эталонный балласт.

Балластный коэффициент = Световой поток лампы с тестовым балластом / Световой поток лампы с эталонным балластом

4,5 Фактор балластной эффективности (BEF)

BEF — это отношение балластного фактора к входной мощности балласта лампы. система. BEF зависит от приложения и не может использоваться для сравнения различных Приложения.

Коэффициент эффективности балласта = коэффициент балласта / Входная мощность

4,6 Суммарные гармонические искажения (THD )

THD измеряет качество формы волны тока, создаваемой балластом.

Ток, потребляемый балластом, в большинстве случаев имеет несинусоидальную форму волны. и, таким образом, может рассматриваться как серия гармоник высокого порядка (т.е. с частотами, кратными частоте входной линии) наложены на основной форме волны тока. Степень наличия таких гармоники измеряются THD, как определено ниже.

i_ THD- (ч / + ч, ‘+ ч,’ + ……) 2 ч,

, где каждый член h i относится к среднеквадратичному значению i-й гармоники в тока, а hi относится к среднеквадратичному значению основной составляющей.

5 Обычные балласты

В схеме обычного балласта, показанной на рис. 4, высокое напряжение удар, необходимый для зажигания лампы, получается от индуктора и биметаллического переключатель, который также подает ток накала, когда контакты замкнуты. Нагретые нити испускают объемные заряды, которые снижают напряжение ионизации. паров ртути внутри лампы для облегчения запуска (Mortimer 1994). По мере увеличения длины дуговой трубки напряжения ионизации также увеличиваются, Требование балласта для обеспечения повышенных рабочих напряжений, а также более высокие напряжения зажигания.Как следствие, обычные двух- и четырехфутовые В балластах люминесцентных ламп используются громоздкие повышающие трансформаторы с высоким реактивным сопротивлением. с выходными обмотками для управления двумя и более лампами.

Этот магнитный балласт основан на катушке с проволокой, окружающей железное ядро. Известны также такие магнитные балласты традиционной конструкции. как «балласты сердечника и катушки». В то время как стандартный магнитный балласт рассеивает около 20 процентов общей мощности, более эффективный магнитный балласт ограничит эту потерю до 12 процентов или меньше.Магнитный балласт отвечает за генерацию некоторых гармоник из-за нелинейной намагниченности характеристика железа.


РИС. 4 Базовая схема обычного балласта

Индуктивность магнитного балласта представляет собой низкий коэффициент мощности, обычно около 0,5, что необходимо компенсировать. Компенсация коэффициента мощности можно сделать с помощью конденсатора. Даже после компенсации низкое качество магнитные балласты будут иметь коэффициент мощности около 0.9 из-за относительно высокий THD 20-30 процентов. Обычные магнитные балласты линейной частоты связаны со следующими недостатками.

(i) Мерцание от сети 50/60 Гц, (ii) Значительный размер и вес, (iii) низкий коэффициент мощности, несинусоидальные формы волны тока и (iv) сложность для затемнения.

6 Высокочастотный резонансный балласт

Все чаще используются электронные высокочастотные резонансные балласты. управлять люминесцентными лампами из-за их повышенной энергоэффективности, дольше срок службы лампы, возможности диммирования, меньший вес и возможность устранения мерцание.

Один из самых ранних примеров электронного управления люминесцентными лампами. лампы были найдены в конструкции 1954 года, изготовленной Delco для использования в автобусах. Этот ранний электронный балласт был разработан для работы в общей сложности с шестью лампами. выходная мощность около 140 Вт. Он работал на частоте около 3000 Гц и был довольно большим (порядка 1500 кубических дюймов). Улучшения в полупроводниках устройства позволили создать первый практический высокочастотный балласт Триада-Утрад в 1967 году.Эти балласты были простыми, питаемыми током, автоколебательными. инверторы, а также были разработаны для приложений ввода постоянного тока.

Цепи электронного балласта недавно претерпели революцию в плане совершенства. от ранних биполярных конструкций десять лет назад. Частично это было вызвано появлением силовых переключателей MOSFET с присущими им преимущества в эффективности. В большинстве электронных балластов используются два переключателя питания. в топологии тотемного полюса (полумоста), а трубчатые цепи состоят из Резонансные цепи серии L-C с лампой (ами) на одном из реакторов.На рис. 5 показана основная топология.

Переключатели в схеме на рис. 5 представляют собой силовые полевые МОП-транзисторы, приводимые в действие для проведения альтернативно двумя вторичными обмотками на трансформаторе тока. Главная этого трансформатора управляется током в цепи лампы, работающей на резонансной частоте L и C. Схема не самозапускается и должен запускаться импульсным диаком, подключенным к воротам нижнего МОП-транзистор.

После включения нижнего переключателя колебания поддерживаются, а высокий прямоугольная волна частоты (30-80 кГц) возбуждает резонансный ток L-C.В синусоидальное напряжение на C увеличивается на добротность (Q) при резонансе и развивает достаточную амплитуду, чтобы поразить лампу, которая затем обеспечивает немерцающая подсветка.

Эта схема уже много лет является стандартным электронным балластом, несмотря на следующие недостатки:

(i) Не запускается автоматически, (ii) Низкое время переключения, приводящее к увеличению мощности убытки.


РИС. 5 Электронный балласт с трансформаторным приводом

(iii) Трудоемкость производства (из-за тороидального трансформатора тока, и т.п.) (iv) не поддаются затемнению, и (v) дорого в производстве.

7 Новое поколение балластов

Ограничения базовой конструкции схемы электронного балласта и потребность в более эффективных системах освещения вкупе с доступностью переключателей мощных MOSFET, создали толчок для небольших, эффективных, низких ИС драйвера веса. Например, автоколебательный IR2155 International Rectifier. силовой МОП-транзистор / драйвер затвора биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), является одним первых в семействе силовых ИС, предназначенных для электронных балластов для люминесцентного освещения, отчасти из-за небольшого размера и невысокой стоимости (около 2 долларов за 80 единиц и 1 доллар за 50 000 единиц).Эти силовые ИС могут управлять полевые МОП-транзисторы низкого и высокого уровня или IGBT от входов, связанных с землей логического уровня. Они обеспечивают возможность смещения напряжения до 600 В постоянного тока и, в отличие от драйверные трансформаторы, могут обеспечить сверхчистые формы волны любого рабочего цикла (0-99%). Функциональная блок-схема IR 2155 представлена ​​на рис. 6. Эти драйверы имеют два альтернативных выхода, так что полумост или Тотемно-полюсная конфигурация полевых МОП-транзисторов может давать прямоугольный сигнал на выходе. А очень полезной особенностью автоколебательных приводов является их способность синхронизировать генератор до естественного резонанса цепи люминесцентной лампы L-C.На рис. 7 показана концепция электронного балласта с использованием драйвера IR2155.

IR2155 предоставляет разработчику автоколебательные или синхронизированные осциллирующая функция, просто с добавлением компонентов R T и C T. Драйвер затвора МОП IR2155 также имеет внутреннюю схему, которая обеспечивает номинальная пауза в 1 микросекунду между выходами и чередующейся стороной высокого напряжения и низковольтные выходы для управления силовыми переключателями полумоста. При использовании в автоколебательном режиме частота колебаний определяется выражением:

1 Fosc — ~ 1.4RTC Т


РИС. 6 Функциональная блок-схема IR 2155 (международный Выпрямитель, США)

Обратите внимание на синхронизирующие возможности драйвера IR2155. Два назад Чтобы задние диоды, включенные последовательно со схемой лампы, эффективно проходили через нулевой уровень. детектор тока лампы. Прежде чем загорится лампа, резонансный контур состоит из последовательно соединенных L, C 1 и C2. C2 имеет меньшее значение, чем C 1 поэтому он работает при более высоком напряжении переменного тока, чем C2, и фактически это напряжение что бьет в лампу.

После зажигания лампы C2 эффективно закорачивает из-за напряжения лампы. падение, а частота резонансного контура регулируется L и C 1. Это вызывает переход на более низкую резонансную частоту во время нормальной работы, снова синхронизируется путем определения перехода переменного тока через ноль и использования резонансное напряжение для управления генератором IR2155. Практичный балласт схема с использованием интегральной схемы IR2155, которая способна управлять две 4-футовые трубки, обозначенные на рис.8.


РИС. 7 Электронный балласт с использованием драйвера IR2155 (Международный Выпрямитель, США)


РИС. 8 «Двойной 40» балласт с использованием IR 2155 генератор / драйвер (International Rectifier, США)

Одним из недостатков данной схемы является низкий коэффициент мощности и высокий гармонический ток. Схема на рис. 7 принимает напряжение 115 или 230 вольт. Вход переменного тока 50/60 Гц для создания номинального напряжения шины постоянного тока 320 вольт постоянного тока.Поскольку на входе выпрямители проводят только около пиков переменного тока. входное напряжение, входной коэффициент мощности составляет примерно 0,6 с запаздыванием Несинусоидальная форма волны тока.

8 Балласты для коррекции коэффициента мощности и диммирования

Для ЭПРА можно обеспечить коэффициенты мощности, превышающие 0.95, используя топологию Boost, работающую при фиксированном 50-процентном рабочем цикле. Используя драйвер IR2155, также можно обеспечить диммирование просто изменение рабочего цикла и, следовательно, скорости наддува (Wood (апрель) 1994), как показано на рисунках 9 и 8-10 соответственно.Коррекция коэффициента мощности более подробно обсуждается в следующем разделе.


РИС. 9 Балласт с активной коррекцией коэффициента мощности


РИС. 10 Диммер балласта

9 Сравнение компактных люминесцентных ламп с использованием магнитных и электронных Балласты

Электронный балласт имеет много преимуществ перед магнитным балластом. Эти включают устранение мерцания, низкий уровень шума, более длительный срок службы балласта и, конечно же, экономия энергии.Энергосберегающий потенциал электронных балластов подробнее чем компенсирует первоначальные дополнительные затраты. Эта энергия экономию можно увидеть за счет более низкого энергопотребления и косвенно температура самого балласта.

Электронные балласты не лишены проблем. Полная гармоника искажения тока — реальная проблема для инженеров. Электронные балласты могут иметь THD, намного превышающие THD балластов магнитного типа. Высокий уровни гармоник были связаны с проблемами, включая отказы конденсаторных батарей, перегрев обмоток трансформатора, чрезмерные токи нейтрали, снижение номинальных значений трансформаторов, и неправильное срабатывание защитных реле сети.Они также известно, что они нарушают работу чувствительного электронного оборудования, которое требует чистая синусоидальная форма волны (Datta 1994). Результаты сравнительного проведен анализ ряда образцов компактных люминесцентных ламп (CFL) как с магнитными и электронными балластами, так и со встроенными и отдельные балласты показаны на рис. 11.

Исследование (Lucas and Wijekoon, 1995) показало, что наиболее доступная низкая стоимость КЛЛ могут иметь очень низкий коэффициент мощности.В частности, было показано что КЛЛ с магнитными балластами могут иметь коэффициент мощности всего 0,4. из-за высокоиндуктивного балласта, но они не способствуют высокая степень гармоник. С другой стороны, КЛЛ с электронным управлением шестерни имеют почти такой же низкий эффективный коэффициент мощности, в основном из-за гармоник, вызванных их силовой электроникой.


РИС. 11 Сравнительный анализ КЛЛ (а) Напряжение и осциллограммы тока со встроенным электронным балластом (б) Частотный спектр для КЛЛ на рис.11 (а) (в)

Осциллограммы напряжения и тока со встроенным магнитным балластом (d) Частота спектр на рис. 11 (в).

10. Дальнейшие разработки электронных балластов

Электромагнитные балласты продемонстрировали хорошую надежность благодаря своей относительная простота. Электронные балласты, с гораздо большей сложностью и относительно хрупкие активные полупроводники, демонстрируют частоту отказов значительно больше, чем электромагнитные балласты.Как электронное освещение системы становятся более обычным явлением, надежность электронных балластов становится все больше и больше проблем (Nemer 1994).

Эволюция электронного балласта от простого инвертора до «умного». балласт »завтрашнего дня означал значительное увеличение цепи сложность и производительность. В то же время конечный пользователь ожидает, что система который обеспечивает свет по требованию каждый раз, когда он или она нажимает выключатель. В сравнении ко многим электронным устройствам балласт работает во враждебной среде в зависимости от температуры окружающей среды.Избыточный нагрев сокращает срок службы компонентов.

Качество важно, но не обязательно означает надежность. Там важны зависимые отношения между качеством и надежностью, которые включают механические, электрические и экономические соображения. Надежность можно улучшить на трех уровнях. Во-первых, использование качественных комплектующих; во-вторых, использование высокопроизводительных конструкций и, в-третьих, использование высокоэффективных надежная технология изготовления.

В условиях текущей мировой энергетической ситуации все больше и больше электромагнитных ПРА заменят на электронное освещение.Таким образом, потребность в надежных электронные балласты будут продолжать расти.

Точно так же, как электронные балласты резко увеличили эффективность светопроизводства, диммирующие балласты нового поколения обеспечит значительную экономию энергии за счет более эффективного управления освещением. Электронные балласты с затемнением позволяют использовать такие стратегии, как дневной свет и компенсация для амортизации лампы.

Диммирующие балласты доступны сегодня, но в большинстве из них используется низковольтное управление. проводка, в которой стоимость установки управляющей проводки непомерно высока.Интегрированные возможности беспроводного управления и диммирования станут основой следующего поколения «интеллектуальных балластов». Также современный Технологии изготовления ИС позволили включить полную схему для коррекции коэффициента мощности и управления затемнением на одной ИС. Например, ML4830 Micro Linear — это ИС с низким уровнем искажений, высокой эффективностью непрерывного действия. коррекция повышенного коэффициента мощности вместе с выбираемой переменной частотой затемнение и запуск.

Для получения дополнительной информации об электронных балластах см. Wood (1994) на Hagar. (1993) рекомендуются.

Что такое энергоэффективное освещение и методы его реализации

Энергоэффективное освещение и способы его реализации

По оценкам, на освещение приходится около 20% от общего объема производства электроэнергии в мире. Качество и количество света не только влияют на наше здоровье, комфорт, безопасность и производительность, но и влияют на экономику.Многие страны тратят огромные средства из своего бюджета на электроэнергию на освещение.

Для достижения эффективного использования электроэнергии страны постоянно переходят на энергоэффективное освещение, которое является наиболее экономичным и надежным методом энергосбережения. В области освещения используются хорошо известные технологии для оптимизации существующих средств управления и осветительного оборудования для снижения потребления энергии при более высоком качестве освещения. Давайте подробно обсудим эту концепцию.

Что такое энергоэффективное освещение?

Когда потребление энергии продуктом снижается, не влияя на его производительность, конечный отклик или уровень комфорта пользователя, это называется энергоэффективностью. Энергоэффективный продукт потребляет меньше энергии для выполнения той же функции по сравнению с тем же продуктом с большим потреблением энергии.

Энергоэффективность в секторе освещения обеспечивает необходимый уровень освещенности схемы освещения для того приложения, для которого она была разработана, при минимальном потреблении энергии.Проще говоря, энергоэффективное освещение может сэкономить электроэнергию, сохраняя при этом хорошее качество и количество света.

Энергоэффективное освещение предполагает замену (или переоснащение) традиционных ламп (например, ламп накаливания) на энергоэффективные, такие как люминесцентные лампы, лампы CFL и светодиодные лампы. Он также включает в себя надлежащие средства управления освещением, такие как таймеры, средства управления на основе инфракрасных и ультразвуковых датчиков и т. Д.

Он включает автоматическое выключение света, когда он не используется, особенно в дневное время.В нем используются электронные дроссели вместо балластов при обычном освещении, а также с использованием электронных схем; при необходимости можно добиться затемнения света.

Эти энергоэффективные схемы могут применяться для внешнего освещения, внутреннего освещения жилых домов и внутреннего освещения коммерческих зданий. Эти схемы не только снижают потребление энергии, но и улучшают качество освещения, повышают безопасность и благополучие персонала, а также уменьшают воздействие на окружающую среду.

Зачем нужно энергоэффективное освещение?

Освещение является основным требованием любого объекта и влияет на повседневную деятельность людей. Это составляет значительную часть общего потребления энергии в бытовых, коммерческих и промышленных установках.

В промышленности потребление энергии для освещения составляет лишь небольшую часть от общего объема потребляемой энергии, что составляет около 2-5 процентов от общего потребления энергии. На его долю приходится от 50 до 90 процентов в домашнем секторе, и она может возрасти до 20-40 процентов в случае коммерческого / строительного секторов, комплексов информационных технологий и гостиниц.

Таким образом, это становится важной областью, в которой необходимо экономить энергию, особенно в бытовом секторе. Поэтому решения по повышению эффективности освещения играют ключевую роль в возможностях энергосбережения.

Из-за высокого энергопотребления традиционные лампы накаливания и лампы высокого разряда необходимо заменить энергоэффективными лампами. Традиционные лампы не только потребляют большое количество электроэнергии, но они используют большую часть потребляемой энергии для производства тепла, а не света (например, 90% потребляемой энергии в случае ламп накаливания).

С установкой энергоэффективного освещения количество потребляемой энергии в конечном итоге будет снижено, что приведет к снижению счетов за электроэнергию.

Следовательно, необходимо энергоэффективное освещение

  • Чтобы снизить потребление электроэнергии, тем самым уменьшив счета за электроэнергию
  • Чтобы сэкономить электроэнергию, а не тратить ее впустую с точки зрения потерь
  • Для снижения выбросов парниковых газов, поскольку обычные лампы вызывают выбросы CO 2
  • Для снижения пиковой нагрузки

Вы также можете прочитать: Сколько ватт солнечных батарей нам нужно для наших бытовых электроприборов?

Советы, приемы и методы по внедрению энергоэффективного освещения

Лучшим и эффективным решением для энергосбережения является внедрение энергоэффективных технологий освещения в секторе освещения, что облегчает всестороннюю модернизацию систем освещения и управления.

Были внесены значительные улучшения и инновации в технологии освещения, которые могут предложить большой потенциал для экономии энергии во многих осветительных приложениях, таких как домашнее освещение, уличное освещение, гостиничные и розничные прожекторы, офисное и промышленное освещение и т. Д.

Ниже перечислены методы или типы энергоэффективного освещения , которые обычно используются как возможности энергосбережения.

  1. Замена ламп на энергоэффективные лампы

Энергоэффективные лампы могут обеспечить такое же количество освещения с большей экономией энергии при меньших затратах по сравнению с обычными лампами.Традиционные лампы накаливания потребляют много энергии для получения света, при этом 90 процентов потребляемой энергии выделяется в виде тепла, а также они потребляют больше энергии, обычно в 3-5 раз больше, чем фактическое количество для производства света.

Энергоэффективные лампы решают эти проблемы, предлагая гораздо больше преимуществ, чем лампы накаливания. Два самых популярных варианта энергоэффективных ламп — это CFL (компактные люминесцентные лампы) и LED (светоизлучающие диоды) лампы.

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)

КЛЛ лампы представляют собой миниатюрные или фигурные версии люминесцентных ламп большого размера.Эти лампы сочетают в себе эффективность люминесцентного освещения с популярностью и удобством ламп накаливания.

Они прикручиваются к светильникам, подходящим для всех стандартных ламп накаливания, но не к стандартным люминесцентным светильникам с длинными трубками. В зависимости от марки и области применения они бывают разных стилей, цветов и размеров.

КЛЛ потребляют на 75 процентов меньше энергии и производят на 75 процентов меньше тепла для получения того же количества света по сравнению с лампами накаливания.Они служат в 10-15 раз дольше и стоят в 10-20 раз дороже, чем лампы накаливания.

Эти лампы изготовлены с трубкой из фосфорного стекла, состоящей из инертного газа (аргона) и паров ртути. Они используют электронный балласт для создания высокого напряжения во время запуска, и это может быть отдельный блок или постоянно встроенная лампа. Некоторые специальные и старые модели КЛЛ поставляются с отдельным балластом, а некоторые КЛЛ — со встроенным балластом.

Когда через электроды пропускают электрический ток, возбуждаются электроны, связанные с атомами ртути, которые, в свою очередь, излучают ультрафиолетовый свет.Когда ультрафиолетовый свет попадает на флуоресцентное покрытие, он превращается в видимый свет.

Сравнительная таблица ламп накаливания, КЛЛ и светодиодных ламп.

На сегодняшнем рынке доступны различные типы ламп CFL. Некоторые из них — спиральные лампы, трехтрубные лампы, торшеры, шаровые лампы, прожекторы и канделябры. В случае замены ламп накаливания КЛЛ выбираются в соответствии с люменами, которые указывают количество генерируемого света, как показано на рисунке ниже.

Они доступны в различных цветах света, таких как теплый белый и мягкий белый, холодный белый и ярко-белый и т. Д., В зависимости от типа применения. В таблице ниже показан диапазон светлых цветов КЛЛ для конкретного применения.

Светоизлучающие диоды (светодиоды)

Светодиоды представляют собой твердотельные полупроводниковые устройства и более энергоэффективны, чем даже КЛЛ. Они производят мало тепла и более качественное освещение, чем любые другие лампы. На момент создания использование светодиодов было ограничено в качестве индикаторов с одной лампочкой в ​​электронных схемах.

Позже несколько светодиодов объединены в группы для разработки небольших ламп для устройств с батарейным питанием, таких как зарядные фонари, фонарики и т. Д. Сегодня светодиодные лампы доступны во многих новых стилях ламп, которые достаточно яркие, чтобы заменить традиционные лампы накаливания.

Светодиодные лампы потребляют на 75 процентов меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания, и на 50 процентов меньше энергии, чем у КЛЛ. Они могут служить в 8-25 раз дольше, чем лампы накаливания, и до четырех раз дольше, чем CFL.В отличие от ламп накаливания и КЛЛ, светодиодные лампы не выделяют тепла и, следовательно, достаточно холодны, чтобы их можно было прикоснуться. Но это дороже; однако они доступны в долгосрочной перспективе.

Светодиоды состоят из полупроводниковых материалов и образуют PN переходы. Когда ток течет через эти соединения, он высвобождает энергию в виде света. Длина волны и, следовательно, цвет света зависят от состава материалов. Светодиоды могут излучать желтый, красный, синий, зеленый и белый свет.Для освещения несколько белых светодиодов сгруппированы в кластеры, чтобы обеспечить необходимое освещение для приложения.

Светодиодные лампы доступны в различных формах, размерах и стилях в зависимости от типа применения, для которого они предназначены. Некоторые из этих типов включают в себя рассеянные лампы, светодиодные лампы с регулируемой яркостью, лампы со штыревым цоколем для трекового освещения, лампы с ввинчиваемым цоколем для отражателя, светодиоды с пламенным наконечником и ламповые светодиодные лампы.

Сравнение ламп накаливания, КЛЛ, светодиодных и галогенных ламп и ламп.

  1. Улучшение управления освещением

Освещением можно управлять с помощью различных датчиков, чтобы лампы могли работать всякий раз, когда они необходимы. Эти датчики обнаруживают присутствие людей, движение, время или присутствие и на основе выходного сигнала датчика включают и выключают лампы. Типы этих элементов управления включают инфракрасные датчики, автоматические таймеры, датчики движения (инфракрасные и ультразвуковые датчики) и диммеры.

Фотодатчики следят за условиями дневного света и соответственно посылают сигналы на главный контроллер для автоматического выключения ламп на рассвете и включения в сумерках.Этот тип управления освещением обычно используется для уличного и наружного освещения.

Уличное освещение — еще одна важная область энергосбережения, поскольку оно способствует значительному энергопотреблению, особенно на автомагистралях. Централизованные системы управления чаще всего используются при управлении уличным освещением.

Популярным централизованным управлением является система SCADA (диспетчерский контроль и сбор данных), которая обеспечивает удаленное управление работой уличных фонарей из центра.Системы на основе GSM / GPRS также используются для дистанционного управления уличным освещением.

  1. Замена существующих приспособлений и балластов

Замена энергоэффективных аксессуаров на новые энергоэффективные устройства и балласт обеспечивает превосходную экономию энергии, долговечность и надежность. Основная функция светильника или осветительной арматуры — распределять, направлять и рассеивать свет.

Некоторые светильники могут поглощать более половины света, излучаемого лампой, что снижает эффективность освещения.Светильники с более высокой эффективностью могут излучать больше света, и, следовательно, можно сэкономить энергию и деньги. Такие светильники состоят из отражателей, которые направляют свет в нужном направлении.

Все газоразрядные лампы требуют пускорегулирующего устройства для достижения требуемой работы. Обычные балласты магнитного типа вызывают потери мощности, которые обычно составляют 15 процентов от мощности лампы. Это также может повысить температуру прибора во время работы. Таким образом, необходимо выбрать правильный балласт, чтобы снизить потери балласта, температуру арматуры и мощность системы.На современном рынке доступно много электронных или твердотельных балластов, которые могут сэкономить от 20 до 30 процентов энергии по сравнению со стандартными балластами.

Вы также можете прочитать:

Electric Energy and Power — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Выразить электрическую мощность через напряжение и ток
  • Опишите мощность, рассеиваемую резистором в электрической цепи.
  • Рассчитать энергоэффективность и рентабельность приборов и оборудования

В электрической цепи электрическая энергия непрерывно преобразуется в другие формы энергии.Например, когда в проводнике течет ток, электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию внутри проводника. Электрическое поле, создаваемое источником напряжения, ускоряет свободные электроны, увеличивая их кинетическую энергию на короткое время. Эта увеличенная кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию в результате столкновений с ионами решетчатой ​​структуры проводника. В работе «Работа и кинетическая энергия» мы определили мощность как скорость, с которой работа выполняется силой, измеряемой в ваттах.Мощность также можно определить как скорость передачи энергии. В этом разделе мы обсуждаем скорость передачи энергии или мощности в электрической цепи.

Мощность в электрических цепях

Мощность ассоциируется у многих с электричеством. На ум могут прийти линии электропередач. Мы также думаем о лампочках с точки зрения их номинальной мощности в ваттах. Как называется электроэнергия?

Сравним лампочку на 25 Вт с лампой на 60 Вт ((Рисунок) (а)).Лампа на 60 Вт светится ярче, чем лампа на 25 Вт. Хотя это не показано, лампа мощностью 60 Вт также теплее, чем лампа мощностью 25 Вт. Тепло и свет производятся путем преобразования электрической энергии. Кинетическая энергия, теряемая электронами при столкновениях, преобразуется во внутреннюю энергию проводника и излучения. Как напряжение, ток и сопротивление связаны с электроэнергией?

(a) На фото выше две лампы накаливания: лампа мощностью 25 Вт (слева) и лампа мощностью 60 Вт (справа).Лампа мощностью 60 Вт обеспечивает более интенсивный свет, чем лампа мощностью 25 Вт. Электрическая энергия, подаваемая в лампочки, преобразуется в тепло и свет. (b) Эта компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) излучает такой же свет, что и лампа мощностью 60 Вт, но при входной мощности от 1/4 до 1/10. (кредит а: модификация работ «Dickbauch» / Wikimedia Commons и Грега Вестфолла; кредит b: модификация работ «dbgg1979» / Flickr)

Чтобы рассчитать электрическую мощность, рассмотрите разницу напряжений на материале ((рисунок)).Электрический потенциал выше, чем электрический потенциал при, а разность напряжений отрицательна. Как обсуждалось в разделе «Электрический потенциал», между двумя потенциалами существует электрическое поле, которое указывает от более высокого потенциала к более низкому. Напомним, что электрический потенциал определяется как потенциальная энергия на заряд, и заряд теряет потенциальную энергию, перемещаясь через разность потенциалов.

Когда есть разность потенциалов в проводнике, присутствует электрическое поле, которое указывает в направлении от более высокого потенциала к более низкому потенциалу.

Если заряд положительный, на него действует сила электрического поля. Эта сила необходима, чтобы заряд двигался. Эта сила не ускоряет заряд на всем расстоянии из-за взаимодействия заряда с атомами и свободными электронами в материале. Скорость и, следовательно, кинетическая энергия заряда не увеличиваются в течение всего пути, и заряд, проходящий через область, имеет ту же скорость дрейфа, что и заряд, проходящий через область.Однако с зарядом работает электрическое поле, которое изменяет потенциальную энергию. Поскольку изменение разности электрических потенциалов отрицательное, электрическое поле оказывается равным

.

Работа, совершаемая над зарядом, равна произведению электрической силы на длину приложения силы,

Заряд движется с дрейфовой скоростью, поэтому работа, выполняемая над зарядом, приводит к потере потенциальной энергии, но средняя кинетическая энергия остается постоянной. Потерянная электрическая потенциальная энергия проявляется в материале как тепловая энергия.В микроскопическом масштабе передача энергии происходит из-за столкновений между зарядом и молекулами материала, что приводит к повышению температуры в материале. Потеря потенциальной энергии приводит к повышению температуры материала, которая рассеивается в виде излучения. В резисторе он рассеивается в виде тепла, а в лампочке — в виде тепла и света.

Мощность, рассеиваемая материалом в виде тепла и света, равна скорости изменения работы во времени:

При использовании резистора падение напряжения на резисторе отводится в виде тепла.Закон Ома гласит, что напряжение на резисторе равно току, умноженному на сопротивление. Таким образом, мощность, рассеиваемая резистором, равна

.

Если резистор подключен к батарее, мощность, рассеиваемая в виде лучистой энергии проводами и резистором, равна. Мощность, подаваемая от батареи, равна току, умноженному на напряжение.

Электроэнергетика

Электроэнергия, полученная или потерянная каким-либо устройством, имеет вид

.

Мощность, рассеиваемая резистором, имеет вид

.

Различные идеи можно получить из трех различных выражений для электроэнергии.Например, подразумевается, что чем ниже сопротивление, подключенное к данному источнику напряжения, тем больше выдается мощность. Кроме того, поскольку напряжение возведено в квадрат, эффект от приложения более высокого напряжения, возможно, больше, чем ожидалось. Таким образом, когда напряжение увеличивается вдвое до лампочки мощностью 25 Вт, ее мощность увеличивается почти в четыре раза и составляет около 100 Вт, что приводит к ее перегоранию. Если бы сопротивление лампы оставалось постоянным, ее мощность была бы ровно 100 Вт, но при более высокой температуре ее сопротивление также будет выше.

Проверьте свое понимание Электродвигатели имеют достаточно высокий КПД.Двигатель мощностью 100 л.с. может иметь КПД 90%, а двигатель мощностью 1 л.с. может иметь КПД 80%. Почему важно использовать высокопроизводительные двигатели?

Несмотря на то, что электродвигатели имеют высокий КПД, 10–20% потребляемой мощности тратится впустую, а не используется для выполнения полезной работы. Большая часть 10–20% потерянной мощности передается в тепло, рассеиваемое медными проводами, используемыми для изготовления катушек двигателя. Это тепло увеличивает тепло окружающей среды и увеличивает потребность электростанций, обеспечивающих электроэнергию.Спрос на электростанцию ​​может привести к увеличению выбросов парниковых газов, особенно если электростанция использует уголь или газ в качестве топлива.

Предохранитель

А ((Рисунок)) — это устройство, которое защищает цепь от слишком высоких токов. Предохранитель — это, по сути, короткий отрезок провода между двумя контактами. Как мы видели, когда ток проходит по проводнику, кинетическая энергия носителей заряда преобразуется в тепловую энергию в проводнике. Кусок проволоки в предохранителе находится под напряжением и имеет низкую температуру плавления.Проволока рассчитана на нагрев и разрыв при номинальном токе. Предохранитель поврежден и подлежит замене, но он защищает остальную цепь. Предохранители срабатывают быстро, но есть небольшая задержка, пока провод нагревается и обрывается.

Предохранитель

А представляет собой отрезок провода между двумя контактами. Когда через провод проходит ток, превышающий номинальный, провод плавится, разрывая соединение. На фото — «перегоревший» предохранитель в месте обрыва провода, защищающего цепь (кредит: модификация работы «Шардайы» / Flickr).

Автоматические выключатели также рассчитаны на максимальный ток и разомкнуты для защиты цепи, но могут быть сброшены. Автоматические выключатели реагируют намного быстрее. Работа автоматических выключателей выходит за рамки этой главы и будет обсуждаться в следующих главах. Еще один метод защиты оборудования и людей — прерыватель цепи замыкания на землю (GFCI), который широко используется в ванных комнатах и ​​кухнях. Торговые точки GFCI очень быстро реагируют на изменения тока. Эти выходы открываются при изменении магнитного поля, создаваемого токоведущими проводниками, что также выходит за рамки данной главы и рассматривается в следующей главе.

Стоимость электроэнергии

Чем больше электроприборов вы используете и чем дольше они остаются включенными, тем выше ваш счет за электроэнергию. Этот знакомый факт основан на соотношении энергии и мощности. Вы платите за использованную энергию. Поскольку мы видим, что

— это энергия, используемая устройством, использующим мощность P в течение интервала времени t . Если мощность доставляется с постоянной скоростью, то значение энергии можно определить по. Например, чем больше горело лампочек, тем больше использовалось P ; чем дольше они работают, тем больше т .

Единицей энергии в счетах за электричество является киловатт-час, что соответствует соотношению. Стоимость эксплуатации электроприборов легко оценить, если у вас есть некоторое представление об их потребляемой мощности в ваттах или киловаттах, времени их работы в часах и стоимости киловатт-часа для вашей электросети. Киловатт-часы, как и все другие специализированные единицы энергии, такие как пищевые калории, можно преобразовать в джоули. Вы можете себе это доказать.

Потребляемая электрическая энергия ( E ) может быть уменьшена либо за счет сокращения времени использования, либо за счет снижения энергопотребления этого прибора или приспособления.Это не только снижает стоимость, но и снижает воздействие на окружающую среду. Улучшение освещения — один из самых быстрых способов снизить потребление электроэнергии в доме или на работе. Около 20% энергии, потребляемой в доме, идет на освещение, а для коммерческих предприятий это число приближается к 40%. Флуоресцентные лампы примерно в четыре раза эффективнее ламп накаливания — это верно как для длинных ламп, так и для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). (См. (Рисунок) (b).) Таким образом, лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить на КЛЛ мощностью 15 Вт, которая имеет такую ​​же яркость и цвет.КЛЛ имеют изогнутую трубку внутри шара или спиралевидную трубку, все они подключены к стандартному привинчиваемому основанию, которое подходит для стандартных розеток лампы накаливания. (В последние годы были решены исходные проблемы с цветом, мерцанием, формой и высокими начальными инвестициями для КЛЛ.)

Теплопередача от этих КЛЛ меньше, и они служат до 10 раз дольше, чем лампы накаливания. В следующем примере рассматривается важность инвестиций в такие лампы. Новые белые светодиодные лампы (которые представляют собой группы небольших светодиодных лампочек) еще более эффективны (в два раза больше, чем у КЛЛ) и служат в пять раз дольше, чем КЛЛ.

Расчет рентабельности светодиодной лампы Типичной заменой лампы накаливания мощностью 100 Вт является светодиодная лампа мощностью 20 Вт. Светодиодная лампа мощностью 20 Вт может обеспечивать такое же количество света, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт. Какова экономия затрат при использовании светодиодной лампы вместо лампы накаливания в течение одного года, если предположить, что 0,10 за киловатт-час — это средний тариф на электроэнергию, взимаемый энергетической компанией? Предположим, что лампочка включена на три часа в день.

Стратегия

(a) Рассчитайте энергию, используемую в течение года для каждой лампочки, используя.

(б) Умножьте энергию на стоимость.

Решение

  1. Рассчитайте мощность для каждой лампы.
  2. Рассчитайте стоимость для каждого.

Значение Светодиодная лампа потребляет на 80% меньше энергии, чем лампа накаливания, экономя 8,76 фунтов стерлингов по сравнению с лампой накаливания в течение одного года. Светодиодная лампа может стоить 20 фунтов стерлингов, а лампа накаливания мощностью 100 Вт может стоить 0,75 фунтов стерлингов, что необходимо учитывать при расчетах. Типичный срок службы лампы накаливания составляет 1200 часов, а светодиодной лампы — 50 000 часов.Лампа накаливания прослужит 1,08 года при 3 часах в день, а светодиодная лампа — 45,66 года. Первоначальная стоимость светодиодной лампы высока, но стоимость для домовладельца составит 0,69 евро за лампы накаливания против 0,44 евро за светодиодные лампы в год. (Обратите внимание, что светодиодные лампы дешевеют.) Экономия затрат в год составляет примерно 8,50 фунтов стерлингов, и это только для одной лампы.

Проверьте свое понимание Является ли эффективность различных лампочек единственным соображением при сравнении различных лампочек?

Нет, эффективность — очень важный фактор для лампочек, но есть много других соображений.Как упоминалось выше, важными факторами являются стоимость лампочек и срок их службы. Например, лампы CFL содержат ртуть, нейротоксин, и их необходимо утилизировать как опасные отходы. При замене ламп накаливания, которые управляются диммером на светодиоды, может потребоваться замена диммера. Диммерные переключатели для светодиодных фонарей сопоставимы по цене с переключателями ламп накаливания, но это начальная стоимость, которую следует учитывать. Также следует учитывать спектр света, но существует широкий диапазон цветовых температур, поэтому вы сможете найти тот, который соответствует вашим потребностям.Ни одно из этих упомянутых соображений не предназначено для того, чтобы препятствовать использованию светодиодных или CFL лампочек, но они являются соображениями.

Замена ламп накаливания на КЛЛ или светодиодные лампы — простой способ снизить потребление энергии в домах и на коммерческих объектах. Лампы CFL работают с совершенно другим механизмом, чем лампы накаливания. Механизм сложен и выходит за рамки этой главы, но здесь приводится очень общее описание механизма. Лампы CFL содержат пары аргона и ртути, заключенные в трубку спиральной формы.В лампах CFL используется «балласт», который увеличивает напряжение, используемое лампой CFL. Балласт производит электрический ток, который проходит через газовую смесь и возбуждает молекулы газа. Возбужденные молекулы газа излучают ультрафиолетовый (УФ) свет, который, в свою очередь, стимулирует флуоресцентное покрытие внутри трубки. Это покрытие флуоресцирует в видимом спектре, излучая видимый свет. Традиционные люминесцентные лампы и лампы CFL имели короткую временную задержку до нескольких секунд, пока смесь «нагревалась» и молекулы переходили в возбужденное состояние.Следует отметить, что эти лампы содержат ртуть, которая ядовита, но если лампа сломана, ртуть никогда не выделяется. Даже если колба сломана, ртуть имеет тенденцию оставаться во флуоресцентном покрытии. Количество также довольно невелико, и преимущество экономии энергии может перевесить недостаток использования ртути.

Лампы CFL заменяются на светодиодные, где LED означает «светоизлучающий диод». Диод был кратко обсужден как неомический прибор, сделанный из полупроводникового материала, который позволяет току течь в одном направлении.Светодиоды — это особый тип диодов, изготовленных из полупроводниковых материалов, наполненных примесями в комбинациях и концентрациях, которые позволяют преобразовывать дополнительную энергию движения электронов во время электрического возбуждения в видимый свет. Полупроводниковые устройства будут объяснены более подробно в Физике конденсированного состояния.

Коммерческие светодиоды быстро становятся стандартом для коммерческого и жилого освещения, заменяя лампы накаливания и КЛЛ. Они предназначены для работы в видимой области спектра и изготовлены из галлия, легированного атомами мышьяка и фосфора.Цвет, излучаемый светодиодом, зависит от материалов, используемых в полупроводнике, и от силы тока. В первые годы развития светодиодов маленькие светодиоды на печатных платах были красного, зеленого и желтого цветов, но теперь светодиодные лампочки можно запрограммировать на получение миллионов цветов света, а также множества различных оттенков белого света.

Сравнение ламп накаливания, КЛЛ и светодиодных ламп

Экономия энергии может быть значительной при замене лампы накаливания или лампы CFL на светодиодную.Лампочки оцениваются по количеству энергии, потребляемой лампочкой, а количество светового потока измеряется в люменах. Люмен (лм) — это производная от системы СИ единица светового потока и мера общего количества видимого света, излучаемого источником. Лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить лампой CFL мощностью 13–15 Вт или светодиодной лампой мощностью 6–8 Вт, все три из которых имеют световой поток примерно 800 лм. Таблица светоотдачи некоторых часто используемых лампочек представлена ​​на (Рисунок).

Срок службы лампочек трех типов значительно различается.Срок службы светодиодной лампы составляет 50 000 часов, у CFL — 8 000 часов, а лампы накаливания — всего 1200 часов. Светодиодная лампа является самой прочной, легко выдерживает грубое обращение, такое как сотрясение и удары. Лампа накаливания плохо переносит такое же обращение, поскольку нить накаливания и стекло могут легко сломаться. Лампа CFL также менее долговечна, чем светодиодная лампа, из-за своей стеклянной конструкции. Количество выделяемого тепла составляет 3,4 БТЕ / ч для светодиодной лампы мощностью 8 Вт, 85 БТЕ / ч для лампы накаливания мощностью 60 Вт и 30 БТЕ / ч для лампы КЛЛ.Как упоминалось ранее, основным недостатком лампы CFL является то, что она содержит ртуть, нейротоксин, и ее необходимо утилизировать как опасные отходы. Из этих данных легко понять, почему светодиодные лампы быстро становятся стандартом в освещении.

Световой поток светодиодных ламп, ламп накаливания и КЛЛ
Световой поток
(люмен)
Светодиодные лампы
(Вт)
Лампы накаливания
(Ватт)
Лампочка CFL
(Вт)
450 4−5 40 9−13
800 6-8 60 13-15
1100 9−13 75 18-25
1600 16-20 100 23-30
2600 25−28 150 30-55

Сводка отношений

В этой главе мы обсудили взаимосвязь между напряжением, током, сопротивлением и мощностью.(Рисунок) показывает сводку соотношений между этими измеряемыми величинами для омических устройств. (Напомним, что омические устройства подчиняются закону Ома.) Например, если вам нужно рассчитать мощность, используйте розовую секцию, которая показывает, и.

Этот кружок показывает сводку уравнений для отношений между мощностью, током, напряжением и сопротивлением.

Какое уравнение вы используете, зависит от того, какие значения вам даны или вы измеряете. Например, если вам заданы ток и сопротивление, используйте.Хотя все возможные комбинации могут показаться подавляющими, не забывайте, что все они представляют собой комбинации всего двух уравнений, закона Ома и степени.

Сводка

  • Электрическая мощность — это скорость, с которой электрическая энергия подается в цепь или потребляется нагрузкой.
  • Мощность, рассеиваемая резистором, зависит от квадрата тока через резистор и равна.
  • Единицей измерения электрической энергии в системе СИ является ватт, а единицей СИ электрической энергии — джоуль.Другой распространенной единицей измерения электроэнергии, используемой энергокомпаниями, является киловатт-час (кВт · ч).
  • Общее количество энергии, израсходованной за интервал времени, можно найти с помощью.

Концептуальные вопросы

Обычные бытовые электроприборы рассчитаны на 110 В, но энергетические компании выдают напряжение в диапазоне киловольт, а затем понижают напряжение с помощью трансформаторов до 110 В для использования в домах. В следующих главах вы узнаете, что трансформаторы состоят из множества витков проволоки, которые нагреваются при прохождении через них тока, тратя часть энергии, которая выделяется в виде тепла.Звучит неэффективно. Почему энергокомпании транспортируют электроэнергию этим методом?

Несмотря на то, что проводники имеют низкое сопротивление, линии энергокомпании могут достигать нескольких километров. Использование высокого напряжения снижает ток, необходимый для обеспечения потребности в мощности, и это снижает потери в линии.

В счете за электроэнергию указано потребление в киловатт-часах (кВт-ч). Отражает ли это устройство количество заряда, тока, напряжения, мощности или энергии, которые вы покупаете?

Резистор может перегреться, возможно, до того, что резистор возгорится.В цепи обычно добавляются предохранители, чтобы предотвратить такие несчастные случаи.

Погружной нагреватель — это небольшой прибор, используемый для нагрева чашки воды для чая путем пропускания тока через резистор. Если напряжение, подаваемое на прибор, увеличится вдвое, изменится ли время, необходимое для нагрева воды? На сколько? Это хорошая идея?

Проблемы

Какое максимальное напряжение может быть приложено к резистору номиналом?

Разрабатывается нагреватель, который использует катушку из нихромовой проволоки 14-го калибра для выработки 300 Вт при напряжении.Как долго инженер должен делать провод?

,

Альтернативой лампам КЛЛ и лампам накаливания являются светодиодные лампы. Лампу накаливания мощностью 100 Вт можно заменить светодиодной лампой мощностью 16 Вт. Оба излучают 1600 люмен света. Если предположить, что стоимость электроэнергии составляет 0,10 фунтов стерлингов за киловатт-час, сколько стоит использовать лампочку в течение одного года, если она работает четыре часа в день?

Мощность, рассеиваемая резистором с сопротивлением. Что такое ток и падение напряжения на резисторе?

Опаздывая на самолет, водитель случайно оставляет включенными фары, припарковав автомобиль на стоянке аэропорта.Во время взлета водитель понимает ошибку. Только что заменив аккумулятор, водитель знает, что это автомобильный аккумулятор на 12 В с номиналом 100. Водитель, зная, что с этим ничего нельзя поделать, оценивает, как долго будут гореть фары, предполагая, что есть две фары на 12 В, каждая с номинальной мощностью 40 Вт. Что сделал водитель?

Студенту-физику предоставляется одноместная комната в общежитии. У ученика есть небольшой холодильник, который работает с током 3,00 А и напряжением 110 В, лампа с лампочкой мощностью 100 Вт, верхний свет с лампой мощностью 60 Вт и различные другие небольшие устройства, в сумме составляющие до трех. .00 Вт. (A) Предполагая, что электростанция, которая поставляет электричество 110 В в общежитие, находится в 10 км, а в двух алюминиевых передающих кабелях используется провод 0-го калибра диаметром 8,252 мм, оцените процент от общей мощности, поставляемой энергокомпания, потерянная при передаче. (б) Каков будет результат, если энергокомпания будет поставлять электроэнергию напряжением 110 кВ?

а.
г.

 *** QuickLaTeX не может составить формулу:
\ begin {array} {c} P = 493 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {W} \ hfill \\ I = 0.0045 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {A} \ hfill \\ R = 9.91 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {Ω} \ phantom {\ rule { 0.2em} {0ex}} \ hfill \\ {P} _ {\ text {loss}} = 201 \ mu \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {W} \ hfill \\ \ text {%} \ text {loss} = 0,00004 \ text {%} \ hfill \ end {array}

*** Сообщение об ошибке:
Ошибка ввода пакета: символ Юникода Ω (U + 03A9)
начальный текст: ... R = 9.91 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {Ω}
Файл завершился при сканировании использования \ text @.
Экстренная остановка.

 

А 0,50 Вт, резистор пропускает максимально возможный ток без повреждения резистора.Если бы ток был уменьшен вдвое, какая была бы потребляемая мощность?

Глоссарий

электрическая мощность
скорость изменения энергии в электрической цепи

9.6: Электроэнергия и мощность

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:

  • Выразить электрическую мощность через напряжение и ток
  • Опишите мощность, рассеиваемую резистором в электрической цепи.
  • Рассчитать энергоэффективность и рентабельность приборов и оборудования

В электрической цепи электрическая энергия непрерывно преобразуется в другие формы энергии.Например, когда в проводнике течет ток, электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию внутри проводника. Электрическое поле, создаваемое источником напряжения, ускоряет свободные электроны, увеличивая их кинетическую энергию на короткое время. Эта увеличенная кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию в результате столкновений с ионами решетчатой ​​структуры проводника. Ранее мы определяли мощность как скорость, с которой работа выполняется силой, измеряемой в ваттах. Мощность также можно определить как скорость передачи энергии.В этом разделе мы обсуждаем скорость передачи энергии или мощности в электрической цепи.

Мощность в электрических цепях

Мощность ассоциируется у многих с электричеством. На ум могут прийти линии электропередач. Мы также думаем о лампочках с точки зрения их номинальной мощности в ваттах. Каково выражение для электроэнергии ?

Давайте сравним лампу мощностью 25 Вт с лампой мощностью 60 Вт (рисунок \ (\ PageIndex {1a} \)). Лампа на 60 Вт светится ярче, чем лампа на 25 Вт.Хотя это не показано, лампа мощностью 60 Вт также теплее, чем лампа мощностью 25 Вт. Тепло и свет производятся путем преобразования электрической энергии. Кинетическая энергия, теряемая электронами при столкновениях, преобразуется во внутреннюю энергию проводника и излучения. Как напряжение, ток и сопротивление связаны с электроэнергией?

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) На изображении выше показаны две лампы накаливания: лампа мощностью 25 Вт (слева) и лампа мощностью 60 Вт (справа). Лампа мощностью 60 Вт обеспечивает более интенсивный свет, чем лампа мощностью 25 Вт.Электрическая энергия, подаваемая в лампочки, преобразуется в тепло и свет. (b) Эта компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) излучает такой же свет, что и лампа мощностью 60 Вт, но при входной мощности от 1/4 до 1/10. (кредит a: модификация работ «Dickbauch» / Wikimedia Commons и Грега Вестфолла; кредит b: модификация работ «dbgg1979» / Flickr)

Для расчета электрической мощности рассмотрите разницу напряжений, существующую на материале (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Электрический потенциал \ (V_1 \) выше, чем электрический потенциал в \ (V_2 \), а разность напряжений отрицательна \ (V = V_2 — V_1 \).Как обсуждалось в разделе «Электрический потенциал», между двумя потенциалами существует электрическое поле, которое указывает от более высокого потенциала к более низкому. Напомним, что электрический потенциал определяется как потенциальная энергия заряда, \ (V = \ Delta U / q \), и заряд \ (\ Delta Q \) теряет потенциальную энергию, перемещаясь через разность потенциалов.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Когда есть разность потенциалов в проводнике, присутствует электрическое поле, которое указывает в направлении от более высокого потенциала к более низкому потенциалу.

Если заряд положительный, на него действует сила электрического поля \ (\ vec {F} = m \ vec {a} = \ Delta Q \ vec {E} \). Эта сила необходима, чтобы заряд двигался. Эта сила не ускоряет заряд на всем расстоянии \ (\ Delta L \) из-за взаимодействия заряда с атомами и свободными электронами в материале. Скорость и, следовательно, кинетическая энергия заряда не увеличиваются в течение всего пути через \ (\ Delta L \), а заряд, проходящий через область \ (A_2 \), имеет ту же скорость дрейфа \ (v_d \), что и заряд, который проходит через область \ (A_1 \).Однако с зарядом работает электрическое поле, которое изменяет потенциальную энергию. Поскольку изменение разности электрических потенциалов отрицательное, электрическое поле оказывается равным

.

\ [E = — \ dfrac {(V_2 — V_1)} {\ Delta L} = \ dfrac {V} {\ Delta L}. \]

Работа, совершаемая над зарядом, равна произведению электрической силы на длину приложения силы,

\ [W = F \ Delta L = (\ Delta Q E) \ Delta L = \ left (\ Delta Q \ dfrac {V} {\ Delta L} \ right) \ Delta L = \ Delta Q V = \ Delta U.\]

Заряд движется со скоростью дрейфа \ (v_d \), поэтому работа, выполняемая над зарядом, приводит к потере потенциальной энергии, но средняя кинетическая энергия остается постоянной. Потерянная электрическая потенциальная энергия проявляется в материале как тепловая энергия. В микроскопическом масштабе передача энергии происходит из-за столкновений между зарядом и молекулами материала, что приводит к повышению температуры в материале. Потеря потенциальной энергии приводит к повышению температуры материала, которая рассеивается в виде излучения.2 / R \), эффект от приложения более высокого напряжения, возможно, больше, чем ожидалось. Таким образом, когда напряжение увеличивается вдвое до лампочки мощностью 25 Вт, ее мощность увеличивается почти в четыре раза и составляет около 100 Вт, что приводит к ее перегоранию. Если бы сопротивление лампы оставалось постоянным, ее мощность была бы ровно 100 Вт, но при более высокой температуре ее сопротивление также будет выше.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): Расчет мощности в электрических устройствах

Двигатель лебедки постоянного тока рассчитан на 20,00 А при напряжении 115 В. Когда двигатель работает на максимальной мощности, он может поднимать объект весом 4900.00 N на расстояние 10,00 м, за 30,00 с, с постоянной скоростью.

  1. Какая мощность потребляет двигатель?
  2. Какая сила используется для подъема объекта? Не обращайте внимания на сопротивление воздуха. (c) Предполагая, что разница в мощности, потребляемой двигателем, и мощности, используемой для подъема объекта, рассеивается в виде тепла за счет сопротивления двигателя, оценить сопротивление двигателя?

Стратегия

  1. Мощность, потребляемая двигателем, может быть найдена с помощью \ (P = IV \).2 R \).

Решение

  1. Мощность, потребляемая двигателем, равна \ (P = IV \), а ток равен 20,00 A, а напряжение составляет 115,00 В: \ [P = IV = (20,00 \, A) 115,00 \, V = 2300.00 \, W. \]
  2. Мощность, используемая для подъема объекта, равна \ (P = Fv \), где сила равна весу объекта (1960 Н), а величина скорости равна \ [v = \ dfrac {10.00 \, m } {30,00 \, s} = 0,33 \ dfrac {m} {s} \] \ [P = Fv = (4900 \, N) 0.2R) \).

    Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

    Электродвигатели обладают достаточно высоким КПД. Двигатель мощностью 100 л.с. может иметь КПД 90%, а двигатель мощностью 1 л.с. может иметь КПД 80%. Почему важно использовать высокопроизводительные двигатели?

    Ответ

    Несмотря на то, что электродвигатели имеют высокий КПД, 10–20% потребляемой мощности тратится впустую, а не используется для выполнения полезной работы. Большая часть 10–20% потерянной мощности передается в тепло, рассеиваемое медными проводами, используемыми для изготовления катушек двигателя.Это тепло увеличивает тепло окружающей среды и увеличивает потребность электростанций, обеспечивающих электроэнергию. Спрос на электростанцию ​​может привести к увеличению выбросов парниковых газов, особенно если электростанция использует уголь или газ в качестве топлива.

    Предохранитель

    А (рисунок \ (\ PageIndex {3} \)) — это устройство, которое защищает цепь от слишком высоких токов. Предохранитель — это, по сути, короткий отрезок провода между двумя контактами. Как мы видели, когда ток проходит по проводнику, кинетическая энергия носителей заряда преобразуется в тепловую энергию в проводнике.Кусок проволоки в предохранителе находится под напряжением и имеет низкую температуру плавления. Проволока рассчитана на нагрев и разрыв при номинальном токе. Предохранитель поврежден и подлежит замене, но он защищает остальную цепь. Предохранители срабатывают быстро, но есть небольшая задержка, пока провод нагревается и обрывается.

    Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Предохранитель состоит из отрезка провода между двумя контактами. Когда через провод проходит ток, превышающий номинальный, провод плавится, разрывая соединение.На фото — «перегоревший» предохранитель в месте обрыва провода, защищающего цепь (кредит: модификация работы «Шардайы» / Flickr).

    Автоматические выключатели также рассчитаны на максимальный ток и разомкнуты для защиты цепи, но могут быть сброшены. Автоматические выключатели реагируют намного быстрее. Работа автоматических выключателей выходит за рамки этой главы и будет обсуждаться в следующих главах. Еще один метод защиты оборудования и людей — прерыватель цепи замыкания на землю (GFCI), который широко используется в ванных комнатах и ​​кухнях.Торговые точки GFCI очень быстро реагируют на изменения тока. Эти выходы открываются при изменении магнитного поля, создаваемого токоведущими проводниками, что также выходит за рамки данной главы и рассматривается в следующей главе.

    Стоимость электроэнергии

    Чем больше электроприборов вы используете и чем дольше они остаются включенными, тем выше ваш счет за электроэнергию. Этот знакомый факт основан на соотношении энергии и мощности. Вы платите за использованную энергию.Поскольку \ (P = \ dfrac {dE} {dt} \), мы видим, что

    \ [E = \ int P dt \]

    — это энергия, используемая устройством, использующим мощность P в течение интервала времени t . Если мощность доставляется с постоянной скоростью, то энергия может быть найдена как \ (E = Pt \). Например, чем больше горело лампочек, тем больше использовалось P ; чем дольше они включены, тем больше т .

    Единицей измерения энергии в счетах за электричество является киловатт-час \ ((кВт \ cdot h) \), что соответствует соотношению \ (E = Pt \).6 \, J \).

    Потребляемая электрическая энергия ( E ) может быть уменьшена либо за счет сокращения времени использования, либо за счет снижения энергопотребления этого прибора или приспособления. Это не только снижает стоимость, но и снижает воздействие на окружающую среду. Улучшение освещения — один из самых быстрых способов снизить потребление электроэнергии в доме или на работе. Около 20% энергии, потребляемой в доме, идет на освещение, а для коммерческих предприятий это число приближается к 40%.Флуоресцентные лампы примерно в четыре раза эффективнее ламп накаливания — это верно как для длинных ламп, так и для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), например, рисунок \ (\ PageIndex {1b} \). Таким образом, лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить КЛЛ мощностью 15 Вт, которая имеет такую ​​же яркость и цвет. КЛЛ имеют изогнутую трубку внутри шара или спиралевидную трубку, все они подключены к стандартному привинчиваемому основанию, которое подходит для стандартных розеток лампы накаливания. (В последние годы были решены исходные проблемы с цветом, мерцанием, формой и высокими начальными вложениями в КЛЛ.)

    Теплопередача от этих КЛЛ меньше, и они служат до 10 раз дольше, чем лампы накаливания. В следующем примере рассматривается важность инвестиций в такие лампы. Новые белые светодиодные лампы (которые представляют собой группы небольших светодиодных лампочек) еще более эффективны (в два раза больше, чем у КЛЛ) и служат в пять раз дольше, чем КЛЛ.

    Пример \ (\ PageIndex {2 \): Расчет рентабельности светодиодной лампы

    Типичная замена лампы накаливания мощностью 100 Вт — это светодиодная лампа мощностью 20 Вт.Светодиодная лампа мощностью 20 Вт может обеспечивать такое же количество света, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт. Какова экономия затрат при использовании светодиодной лампы вместо лампы накаливания в течение одного года, если предположить, что 0,10 доллара за киловатт-час — это средний тариф на электроэнергию, взимаемый энергетической компанией? Предположим, что лампочка включена на три часа в день.

    Стратегия

    1. Рассчитайте энергию, используемую в течение года для каждой лампочки, используя \ (E = Pt \).
    2. Умножьте энергию на стоимость.

    Решение

    1. Рассчитайте мощность для каждой лампочки. \ [E_ {Incandescent} = Pt = 100 \, W \ left (\ dfrac {1 \, kW} {1000 \, W} \ right) \ left (\ dfrac {3 \, h} {day} \ right) (365 \, дни) = 109,5 \, кВт \ cdot ч \] \ [E_ {LED} = Pt = 20 \, W \ left (\ dfrac {1 \, kW} {1000 \, W} \ right) \ left (\ dfrac {3 \, h} {day} \ right) (365 \, days) = 21.9 \, кВт \ cdot h \]
    2. Рассчитайте стоимость для каждого. \ [cost_ {Incandescent} = 109,5 \, кВт \ cdot h \ left (\ dfrac {\ $ 0.10} {kW \ cdot h} \ right) = \ $ 10.95 \] \ [cost_ {LED} = 21.90 \, кВт \ cdot h \ left (\ dfrac {\ $ 0.10} {kW \ cdot h} \ right) = \ $ 2.19 \]

    Значение

    Светодиодная лампа потребляет на 80% меньше энергии, чем лампа накаливания, экономя 8,76 доллара по сравнению с лампой накаливания в течение одного года. Светодиодная лампа может стоить 20 долларов, а лампа накаливания мощностью 100 Вт может стоить 0,75 доллара, что следует учесть при расчетах. Типичный срок службы лампы накаливания составляет 1200 часов, а светодиодной лампы — 50 000 часов. Лампы накаливания хватило бы на 1.08 лет при 3 часах в день, а светодиодная лампа прослужит 45,66 года. Первоначальная стоимость светодиодной лампы высока, но стоимость для домовладельца составит 0,69 доллара за лампы накаливания по сравнению с 0,44 доллара за светодиодные лампы в год. (Обратите внимание, что светодиодные лампы дешевеют.) Экономия затрат в год составляет примерно 8,50 долларов США, и это только для одной лампы.

    Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

    Является ли эффективность различных лампочек единственным соображением при сравнении различных лампочек?

    Ответ

    Нет, эффективность — очень важный фактор для лампочек, но есть много других соображений.Как упоминалось выше, важными факторами являются стоимость лампочек и срок их службы. Например, лампы CFL содержат ртуть, нейротоксин, и их необходимо утилизировать как опасные отходы. При замене ламп накаливания, которые управляются диммером на светодиоды, может потребоваться замена диммера. Диммерные переключатели для светодиодных фонарей сопоставимы по цене с переключателями ламп накаливания, но это начальная стоимость, которую следует учитывать. Также следует учитывать спектр света, но существует широкий диапазон цветовых температур, поэтому вы сможете найти тот, который соответствует вашим потребностям.Ни одно из этих упомянутых соображений не предназначено для того, чтобы препятствовать использованию светодиодных или CFL лампочек, но они являются соображениями.

    Замена ламп накаливания на КЛЛ или светодиодные лампы — простой способ снизить потребление энергии в домах и на коммерческих объектах. Лампы CFL работают с совершенно другим механизмом, чем лампы накаливания. Механизм сложен и выходит за рамки этой главы, но здесь приводится очень общее описание механизма.Лампы CFL содержат пары аргона и ртути, заключенные в трубку спиральной формы. В лампах CFL используется «балласт», который увеличивает напряжение, используемое лампой CFL. Балласт производит электрический ток, который проходит через газовую смесь и возбуждает молекулы газа. Возбужденные молекулы газа излучают ультрафиолетовый (УФ) свет, который, в свою очередь, стимулирует флуоресцентное покрытие внутри трубки. Это покрытие флуоресцирует в видимом спектре, излучая видимый свет. Традиционные люминесцентные лампы и лампы CFL имели короткую временную задержку до нескольких секунд, пока смесь «нагревалась» и молекулы переходили в возбужденное состояние.Следует отметить, что эти лампы содержат ртуть, которая ядовита, но если лампа сломана, ртуть никогда не выделяется. Даже если колба сломана, ртуть имеет тенденцию оставаться во флуоресцентном покрытии. Количество также довольно невелико, и преимущество экономии энергии может перевесить недостаток использования ртути.

    Лампы CFL заменяются на светодиодные, где LED означает «светоизлучающий диод». Диод был кратко обсужден как неомический прибор, сделанный из полупроводникового материала, который позволяет току течь в одном направлении.Светодиоды — это особый тип диодов, изготовленных из полупроводниковых материалов, наполненных примесями в комбинациях и концентрациях, которые позволяют преобразовывать дополнительную энергию движения электронов во время электрического возбуждения в видимый свет. Полупроводниковые устройства будут объяснены более подробно в Физике конденсированного состояния.

    Коммерческие светодиоды быстро становятся стандартом для коммерческого и жилого освещения, заменяя лампы накаливания и КЛЛ. Они предназначены для работы в видимой области спектра и изготовлены из галлия, легированного атомами мышьяка и фосфора.Цвет, излучаемый светодиодом, зависит от материалов, используемых в полупроводнике, и от силы тока. В первые годы развития светодиодов маленькие светодиоды на печатных платах были красного, зеленого и желтого цветов, но теперь светодиодные лампочки можно запрограммировать на получение миллионов цветов света, а также множества различных оттенков белого света.

    Сравнение ламп накаливания, КЛЛ и светодиодных ламп

    Экономия энергии может быть значительной при замене лампы накаливания или лампы CFL на светодиодную.Лампочки оцениваются по количеству энергии, потребляемой лампочкой, а количество светового потока измеряется в люменах. Люмен (лм) — это производная от системы СИ единица светового потока и мера общего количества видимого света, излучаемого источником. Лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить лампой CFL мощностью 13–15 Вт или светодиодной лампой мощностью 6–8 Вт, все три из которых имеют световой поток примерно 800 лм. Таблица светоотдачи для некоторых часто используемых лампочек представлена ​​в Таблице \ (\ PageIndex {1} \).

    Срок службы лампочек трех типов значительно различается. Срок службы светодиодной лампы составляет 50 000 часов, у CFL — 8 000 часов, а лампы накаливания — всего 1200 часов. Светодиодная лампа является самой прочной, легко выдерживает грубое обращение, такое как сотрясение и удары. Лампа накаливания плохо переносит такое же обращение, поскольку нить накаливания и стекло могут легко сломаться. Лампа CFL также менее долговечна, чем светодиодная лампа, из-за своей стеклянной конструкции.Количество выделяемого тепла составляет 3,4 БТЕ / ч для светодиодной лампы мощностью 8 Вт, 85 БТЕ / ч для лампы накаливания мощностью 60 Вт и 30 БТЕ / ч для лампы КЛЛ. Как упоминалось ранее, основным недостатком лампы CFL является то, что она содержит ртуть, нейротоксин, и ее необходимо утилизировать как опасные отходы. Из этих данных легко понять, почему светодиодные лампы быстро становятся стандартом в освещении.

    Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Световой поток светодиодных ламп, ламп накаливания и КЛЛ
    Световой поток (люмен) Светодиодные лампы (Вт) Лампа накаливания (Вт) Лампочка CFL (Вт)
    450 4-5 40 9−13
    800 6-8 60 13-15
    1100 9−13 75 18-25
    1600 16-20 100 23-30
    2600 25−28 150 30-55
    Сводка взаимосвязей

    В этой главе мы обсудили взаимосвязь между напряжением, током, сопротивлением и мощностью.2R \). Хотя все возможные комбинации могут показаться ошеломляющими, не забывайте, что все они представляют собой комбинации всего двух уравнений: закона Ома \ ((V = IR) \) и степени \ ((P = IV) \).

    Авторы и авторство

    • Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

    5 важных факторов энергоэффективного освещения

    Переход от ламп накаливания к энергоэффективным компактным люминесцентным или светодиодным лампам может оказаться отличным процессом.Вы не только сразу начнете экономить энергию, но и сэкономите деньги. Кроме того, вы можете распрощаться с днями обжигания рук при замене лампочки. Кстати, энергосберегающие лампочки служат так долго, что частая их замена уйдет в прошлое. Прежде чем вы с головой погрузитесь в этот переключатель, вот 5 очень важных факторов, которые необходимо учитывать при выборе правильных лампочек для ваших нужд.

    Мощность

    Мощность — это измерение количества энергии, потребляемой лампочкой.В КЛЛ и светодиодах это количество на 75-85 процентов меньше, чем количество энергии, потребляемой лампой накаливания или галогенным эквивалентом. Например, КЛЛ мощностью 13 Вт может излучать свет того же качества, что и лампа накаливания на 60 Вт. Опять же, мощность позволяет нам узнать, сколько энергии потребляется. Он не определяет количество света, производимого лампочкой. Это определяется светоотдачей.

    люмен

    Световой поток лампы измеряется в люменах.Чем выше показатель светового потока лампы, тем ярче свет лампы. Таким образом, 13-ваттная КЛЛ может заменить 60-ваттную лампу накаливания, в то время как светодиодная лампа, потребляющая всего 5 Вт энергии, может заменить 60-ваттную лампу. Это один из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при выборе лампы для замены.

    База

    В самом низу луковицы у вас есть основание. Его форма и тип определяют, сможет ли лампа подключаться к конкретному приспособлению.Конкретный тип цоколя можно найти на лампе или на приспособлении, в которое она входит. Наиболее широко используемые базы:
    • E26 — это средний или стандартный винт в основании, который используется в большинстве светильников.
    • E12 — Меньше среднего цоколя и часто называют цоколем канделябров, светильники этого типа используются в большинстве декоративных светильников, таких как люстры.
    • E39 — Известная как основание для магната, она также ввинчивается в приспособление, но больше, чем свеча и стандартное основание.
    • GU24 — Лампы с этим цоколем скручиваются и фиксируются в креплении GU24. Эти лампочки могут работать в любом светильнике с цоколем GU24.
    • Штыревой цоколь — в отличие от ламп GU24, многие цоколи со штифтом зависят от производителя, что означает, что они часто не могут быть помещены в приспособление с таким же соответствующим цоколем. Например, светильник от компании A с цоколем GX24q-2 может быть разработан для работы только с лампами компании A, поэтому лампа с цоколем GX24q-2 от компании B не будет работать должным образом в светильнике компании A и может даже вызвать короткое замыкание приспособления.Для ламп со штифтовым цоколем рекомендуется придерживаться конкретной модели, которая подлежит замене, или уточнять у производителя, прежде чем приобретать лампу от другого производителя.

    Цветовая температура

    За исключением цветных ламп (красных, синих, зеленых и т. Д.), Компактные люминесцентные лампы и светодиодные лампы имеют рейтинг цветовой температуры. Измеренный в градусах Кельвина, это говорит нам, как цвет, производимый лампой, выглядит по отношению к цвету солнца.Начиная с 2700K, чем выше цветовая температура, тем белее цвет лампы. Чем ниже цветовая температура, тем более желтым будет свет:
    • 2700K — это самая теплая или самая желтая из доступных лампочек. Светильники с этой цветовой температурой обычно используются в гостиных или спальнях.
    • 3500K — Имея мягкий белый цвет, лампы с цветовым рейтингом 3500K являются стандартными для ванных комнат или кухонь.
    • 4100K — Эти лампы имеют холодный белый цвет, они флуоресцентно-белые на вид.Их часто используют в больницах.
    • 5000K + — Эти лампы относятся к верхнему пределу спектра. Лампочки с такой цветовой температурой называются лампами дневного света, потому что излучаемый ими свет ближе всего к полуденному солнцу. * Для светодиодов 5000K — это холодный белый цвет, а дневной свет начинается с цветовой температуры 6000K.

    МОЛ

    MOL — это аббревиатура от максимальной общей длины. Это измерение (в дюймах или сантиметрах) колбы от кончика колбы до нижней части цоколя.

    Вот и все! Помните об этих 5 факторах, и вы потратите меньше времени, беспокоясь о том, чтобы вернуть не те лампочки, и больше времени, наслаждаясь дополнительными деньгами, которые вы сэкономите на счетах за электроэнергию.

    (PDF) Сравнительное исследование энергосберегающих источников света

    За исключением ламп накаливания, признанных нежелательными из-за более низкой эффективности

    , для всех энергосберегающих ламп требуется дополнительный коэффициент мощности

    цепей корректирующих конденсаторов.Типичные коэффициенты мощности освещения

    ламп и бытовых приборов, работающих в активном, пассивном или выключенном режимах

    ожидания, показаны в таблице 11.

    Коэффициенты мощности работающих бытовых электронных приборов

    от 0,60 до 0,80 или ниже. Коэффициенты мощности ЭПРА

    составляют 0,40–0,50, если не скорректировать добавлением дополнительных конденсаторных цепей

    .

    5. Суммарные гармонические искажения (THD)

    IEEE Std.519 (1992) рекомендует поддерживать THD напряжения 5%

    и THD тока 32% в распределительной сети общего пользования

    <69 кВ.ANSI C82.77 (2002) рекомендует, чтобы все коммерческие ПРА

    для помещений с жестким монтажом> 28 Вт поддерживали коэффициент мощности 0,90 при максимальном коэффициенте гармонических искажений тока

    32%. Для этого требуются светильники с жесткой проводкой для жилых помещений мощностью менее

    120 Вт, отвечающие минимальному коэффициенту мощности 0,50 и максимальному коэффициенту гармонических искажений 200%

    . Тем не менее, он рекомендует балласты для светильников <50 Вт

    для поддержания 0,50 PF при максимальном THD 32% по току. CFL принимает

    чрезвычайно искаженных пиков тока, вводя гармоники тока

    в электрическую сеть.Конденсаторы могут улучшить коэффициент мощности смещения, но не коэффициент мощности искажения

    . IEC / TR3 61000-3-6 включает

    допустимых уровней для систем низкого, среднего, высокого и сверхвысокого напряжения

    . Он позволяет достигать THD напряжения до 6% для 5-й гармоники, 5% для

    3-й и 2% для 2-й гармоники в цепях низкого и среднего напряжения.

    Максимально допустимый ток гармоник на ватт составляет 3,4 мА (для

    3-й гармоники), что соответствует THD тока 78,2%. Напряжение THD

    возникает из-за взаимодействия между искаженными токами нагрузки и полным сопротивлением

    энергосистемы.Гармонические напряжения и токи равны

    целым кратным основной частоты. Нечетные гармоники

    включают гармоники прямой последовательности (h = 1,7,13 …), отрицательные

    гармоники

    последовательности (h = 5, 11, 17 …) и тройные гармоники нулевой последовательности

    (h = 3, 9,15 …). Четные гармоники (h = 2,4,6 …) суб-

    гармоники и интергармоники (h = 87,5, 112,5 и т. Д.) Часто встречаются редко. Некоторые четные гармоники (h = 4, 10, 16 …) представляют собой

    гармоник прямой последовательности, а другие (h = 2,8,14…) являются гармониками обратной последовательности

    . Иногда субгармоники индуцируются в системе

    , вызывая чувствительность глаза и субсинхронный резонанс (SSR) в генераторах электростанции

    . Последовательность гармоник приведена в таблице 12.

    Полуволновые выпрямители с одним импульсом генерируют все типы гармоник

    (h = 2,3,4,5,6,7 …), два полнополупериодных выпрямителя с двумя импульсами дают нечетные

    гармоник (h = 3,5,7,9 …), шестиимпульсные трехфазные двухполупериодные выпрямители

    производят селективные нечетные гармоники (для четных n:

    h = 3n

    1 = 5, 7, 11, 13, 17, 19…) и 12-импульсные трехфазные полные выпрямители

    производят нечетные гармоники более высокого порядка (h = 11, 13, 23,

    35, 37 …). Гармоники более низкого порядка имеют значение из-за потерь мощности

    из-за их вклада в снижение коэффициента мощности, а гармоники более высокого порядка

    важны в отношении помех и потерь тока на вихревые

    . Трехфазные нагрузки, такие как приводы с регулируемой скоростью и лифты

    , создают (h = 5, 7, 11, 13, 17, 19 …) гармоники, а однофазные нагрузки

    создают (для нечетных n: h = 2n1 = 3, 5, 7, 9, 11…) гармоники.

    Гармоники прямой последовательности имеют тенденцию ускоряться, но отрицательные

    гармоники имеют тенденцию замедлять скорость асинхронных двигателей. Однако нулевые гармоники последовательности

    проходят через звезду на землю, вызывая чрезмерные потери тепла и мощности

    . IEEE 519–1992 рекомендует

    ограничивать нечетные гармоники <11 до 4,0% для I

    SC

    / I

    L

    <20 и 7,0% для

    20

    SC

    / I

    L

    <50.Однако нечетные гармоники> 35 должны оставаться ниже

    1,4% для I

    SC

    / I

    L

    > 1000. Четные гармоники не должны превышать 25% от нечетных

    гармоник на PCC. Для напряжения <69 кВ текущий THD должен оставаться на

    ниже 32%, а THD напряжения 5%.

    Гармоники с утроением нулевой последовательности могут складываться по фазе в нейтрали

    заземленного проводника. Трансформаторы, питающие промышленные нагрузки, имеют высокие токи нейтрали

    , несмотря на сбалансированные нагрузки.Гармоники подключенных трансформаторов типа Y – Y

    могут проходить от первичной к вторичной

    через заземленные нейтрали. Энергетические системы, чувствительные к падению напряжения, и дуговые печи

    используют подключенные трансформаторы

    D

    D

    для остановки потока гармоник

    [37]. Срабатывание защитных реле, гармонические перегрузки, высокие уровни искажений напряжения и тока

    , повышение температуры в проводниках, двигатели, кабели и генераторы

    способствуют снижению качества и надежности системы распределения переменного тока

    [38,39].Существует около десяти

    различных технологий для управления гармониками. Эти технологии

    включают дроссели или сетевые дроссели (критерий 3%), изоляцию привода

    , трансформаторы

    (соотношение 1: 1 и коэффициент k = 4–50), дроссели постоянного тока (сторона постоянного тока выпрямителей

    ), 12-импульсные преобразователи ( уменьшают 85% гармоник), импульсный распределительный трансформатор

    (уменьшает гармоники на 50–80%), настроенные

    параллельные фильтры (улучшают коэффициент мощности), широкополосные последовательные блокирующие фильтры

    (улучшают коэффициент мощности), 18-импульсный преобразователь или дифференциальный дельта-автотранслятор —

    Формирователи

    (подавляют 90% гармоник) и последовательно или параллельно активные фильтры

    вводят противоположные гармоники для подавления 2–50-й гармоники для улучшения коэффициента мощности системы

    .Коммерческие предприятия могут выбрать фильтры с блокировкой нейтрального тока

    (уменьшают 80% нейтральных токов и 10–30% среднеквадратичных фазных токов

    ), зигзагообразные трансформаторы или ловушки нулевой последовательности (блок

    для потока гармоник на входе

    ), нейтрали увеличенного размера или с номиналом k trans-

    преобразователь (k13 или k20) для использования номинальной грузоподъемности. Многие инженеры

    заменяют гармонические решения конденсаторами коррекции коэффициента мощности на

    , увеличивая пропускную способность трансформаторов и кабелей за счет снижения требований

    кВА.Конденсаторы увеличивают мощность в кВт, уменьшая ток нагрузки

    , что приводит к уменьшению потерь I

    2

    R. Однако гармоники

    иногда могут резонировать и повредить конденсаторы коррекции коэффициента мощности.

    Уменьшение гармоник также улучшает коэффициент мощности системы. Чтобы избежать гармонического резонанса

    , инженеры могут использовать другие методы, которые улучшают коэффициент мощности

    , а также уменьшают гармоники. Эти методы включают фильтры гармоник

    , активные фильтры и последовательные широкополосные фильтры возбуждения.Приводы с регулируемой скоростью

    могут использовать реакторы, 18-пульсные преобразователи, фазовращающие трансформаторы

    и синхронные конденсаторы, чтобы улучшить коэффициент мощности

    , избегая гармонического резонанса [40]. Другой метод

    заключается в замене конденсаторной батареи на недостаточную или избыточную компенсацию требуемой

    кВА при условии, что это не вызывает перенапряжения. Лучший выбор

    зависит от реальных ситуаций. Если гармоническое решение освобождает от штрафа PF

    , уменьшая общие гармоники, то его можно рассматривать как оптимальный выбор

    .

    6. Сценарий с низким коэффициентом мощности и высоким коэффициентом гармонических искажений

    Текущие коэффициенты нелинейных искажений и коэффициент мощности — два разных явления, возникающие из

    совершенно разных ситуаций. Одним из воздействий THD тока на

    является увеличение величины среднеквадратичного тока, что (I

    2

    R) увеличивает мощность

    потерь в системе. Однако небольшая нагрузка с КНИ 200% не может повлиять на систему в целом

    , а большая нагрузка даже с КНИ 100% может серьезно повлиять на систему. Точно так же меньшая нагрузка с 0.4 PF

    не может повлиять на систему, но большая нагрузка с 0,6 PF может отрицательно повлиять на

    систему, поскольку THD также проявляется в низком PF. Коэффициент искажения

    (I

    F

    / I

    RMS

    ) снижает общий коэффициент мощности. Уменьшение гармоник или

    улучшение коэффициента мощности усиливают друг друга, но коэффициент мощности не может быть

    единиц при наличии гармоник. Поскольку коэффициент мощности отражает общие потери,

    , следовательно, гармоники вносят вклад в потери мощности.Гармоники влияют на коэффициент смещения

    , поэтому общая потребность в кВА увеличивается. Итого

    Таблица 12

    Номенклатура гармоник.

    Гармоника 1-я 2-я 3-я 4-я 5-я 6-я 7-я 8-я 9-я …

    Последовательность + 0 + 0 + 0 .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.