Электрический балласт — это устройство, подключаемое последовательно с нагрузкой для ограничения силы тока в электрической цепи .
Знакомым и широко используемым примером является индуктивный балласт, используемый в люминесцентных лампах для ограничения тока через трубку, который в противном случае мог бы достичь разрушительного уровня из-за отрицательного дифференциального сопротивления вольт-амперной характеристики трубки.
Балласты сильно различаются по сложности. Они могут быть такими простыми, как резистор , индуктор или конденсатор (или их комбинация), соединенные последовательно с лампой; или такими сложными, как электронные балласты, используемые в компактных люминесцентных лампах (CFL).
Электрический балласт — это устройство, ограничивающее ток через электрическую нагрузку . Чаще всего они используются, когда у нагрузки (например, дугового разряда) падает напряжение на клеммах при увеличении тока через нагрузку. Если бы такое устройство было подключено к источнику питания с постоянным напряжением, оно потребляло бы все большее количество тока, пока не выйдет из строя или не приведет к отказу источника питания. Чтобы предотвратить это, балласт обеспечивает положительное сопротивление или реактивное сопротивление , которое ограничивает ток. Балласт обеспечивает правильную работу устройства с отрицательным сопротивлением, ограничивая ток.
Балласты также могут использоваться просто для ограничения тока в обычной цепи с положительным сопротивлением. До появления твердотельного зажигания автомобильные системы зажигания обычно включали в себя балластный резистор для регулирования напряжения, подаваемого на систему зажигания.
Для простых, маломощных нагрузок, таких как неоновая лампа , обычно используется фиксированный резистор. Поскольку сопротивление балластного резистора велико, он определяет ток в цепи, даже в условиях отрицательного сопротивления, вносимого неоновой лампой.
Балласт также был компонентом, используемым в ранних моделях автомобильных двигателей , который понижал напряжение питания системы зажигания после запуска двигателя. Запуск двигателя требует значительного количества электрического тока от аккумулятора , что приводит к столь же значительному падению напряжения. Чтобы двигатель мог запуститься, система зажигания была спроектирована для работы на этом более низком напряжении. Но как только автомобиль был запущен и стартер отключен, нормальное рабочее напряжение было слишком высоким для системы зажигания. Чтобы избежать этой проблемы, балластный резистор был вставлен последовательно с системой зажигания, что привело к двум различным рабочим напряжениям для систем запуска и зажигания.
Иногда этот балластный резистор выходил из строя, и классическим симптомом этой неисправности было то, что двигатель работал во время проворачивания (при этом резистор был шунтирован), но немедленно глох, когда проворачивание прекращалось (и резистор был снова подключен в цепь через выключатель зажигания). Современные электронные системы зажигания (те, которые использовались с 1980-х или конца 70-х годов) не требуют балластного резистора, поскольку они достаточно гибки, чтобы работать при более низком напряжении проворачивания или нормальном рабочем напряжении.
Другим распространенным применением балластного резистора в автомобильной промышленности является регулировка скорости вентилятора. Балласт представляет собой фиксированный резистор, обычно с двумя центральными отводами, а переключатель скорости вентилятора используется для обхода частей балласта: все они для полной скорости и ни одного для настройки низкой скорости. Очень распространенная неисправность происходит, когда вентилятор постоянно работает на скорости, близкой к полной (обычно 3 из 4). Это приведет к тому, что очень короткий кусок катушки резистора будет работать с относительно высоким током (до 10 А), в конечном итоге перегорит. Это сделает вентилятор неспособным работать на пониженных настройках скорости.
В некоторых бытовых электронных приборах, особенно в телевизорах в эпоху ламп ( вакуумных трубок ), а также в некоторых недорогих проигрывателях пластинок, нагреватели вакуумных трубок были соединены последовательно. Поскольку падение напряжения на всех нагревателях последовательно обычно было меньше полного напряжения сети, было необходимо предусмотреть балласт для снижения избыточного напряжения. Для этой цели часто использовался резистор, поскольку он был дешев и работал как с переменным током (AC), так и с постоянным током (DC).
Некоторые балластные резисторы обладают свойством увеличивать сопротивление по мере увеличения тока через них и уменьшать сопротивление по мере уменьшения тока. Физически некоторые такие устройства часто устроены совсем как лампы накаливания . Подобно вольфрамовой нити обычной лампы накаливания, если ток увеличивается, балластный резистор нагревается, его сопротивление увеличивается, а падение напряжения увеличивается. Если ток уменьшается, балластный резистор охлаждается, его сопротивление падает, а падение напряжения уменьшается. Таким образом, балластный резистор уменьшает изменения тока, несмотря на изменения приложенного напряжения или изменения в остальной части электрической цепи. Эти устройства иногда называют « барреттерами », и они использовались в последовательных нагревательных цепях бытовых радиоприемников переменного/постоянного тока и телевизионных приемников 1930-х — 1960-х годов. [ требуется цитата ]
Это свойство может привести к более точному контролю тока, чем просто выбор подходящего фиксированного резистора. Мощность, теряемая в резистивном балласте, также уменьшается, поскольку меньшая часть общей мощности падает в балласте по сравнению с тем, что может потребоваться при использовании фиксированного резистора.
Раньше [ когда? ] бытовые сушилки для белья иногда включали бактерицидную лампу последовательно с обычной лампой накаливания; лампа накаливания работала как балласт для бактерицидной лампы. Обычно используемый в доме в 1960-х годах в странах с напряжением 220–240 В свет представлял собой круглую трубку, балластированную обычной сетевой лампой накаливания. Ртутные лампы со встроенным балластом включают обычные вольфрамовые нити внутри общей оболочки лампы, чтобы действовать как балласт, и это дополняет в противном случае отсутствующую красную область производимого светового спектра.
Индуктор , обычно дроссель , очень распространен в балластах сетевой частоты для обеспечения надлежащего пускового и рабочего электрического состояния для питания люминесцентной лампы или лампы HID. (Из-за использования индуктора такие балласты обычно называют магнитными балластами .) Индуктор имеет два преимущества:
Недостатком индуктора является то, что ток смещается в противофазе с напряжением, что приводит к плохому коэффициенту мощности . В более дорогих балластах конденсатор часто используется в паре с индуктором для коррекции коэффициента мощности. В автотрансформаторных балластах, которые управляют двумя или более лампами, балласты с частотой сети обычно используют различные фазовые соотношения между несколькими лампами. Это не только смягчает мерцание отдельных ламп, но и помогает поддерживать высокий коэффициент мощности. Такие балласты часто называют свинцово-запаздывающими балластами, потому что ток в одной лампе опережает фазу сети, а ток в другой лампе отстает от фазы сети.
Примечание: большинство американских производителей балластов описывают некоторые из своих балластов как «NPF» (сокращение от «Normal Power Factor»), но это заблуждение, поскольку коэффициент мощности может быть только высоким или низким, а не «нормальным».
В большинстве балластов на 220–240 В конденсатор не встроен в балласт, как в североамериканских балластах, а подключен параллельно или последовательно с балластом.
В Европе и большинстве территорий с напряжением 220-240 В сетевое напряжение достаточно для запуска ламп мощностью более 30 Вт с последовательным индуктором. Однако в Северной Америке и Японии сетевое напряжение (120 В или 100 В соответственно) может быть недостаточным для запуска ламп мощностью более 30 Вт с последовательным индуктором, поэтому в балласт включена обмотка автотрансформатора для повышения напряжения. Автотрансформатор спроектирован с достаточной индуктивностью рассеяния ( короткозамыкающей индуктивностью ), чтобы ток был соответствующим образом ограничен.
Из-за больших размеров индукторов и конденсаторов, которые необходимо использовать, а также тяжелого железного сердечника индуктора, реактивные балласты, работающие на частоте сети, как правило, большие и тяжелые. Они также обычно производят акустический шум ( гул на частоте сети ).
До 1980 года в США масла на основе полихлорированного бифенила (ПХБ) использовались в качестве изоляционного масла во многих балластах для обеспечения охлаждения и электрической изоляции (см. Трансформаторное масло ).
Электронный балласт использует твердотельную электронную схему для обеспечения надлежащих пусковых и рабочих электрических условий для питания разрядных ламп. Электронный балласт может быть меньше и легче, чем магнитный балласт сопоставимого номинала. Электронный балласт обычно тише магнитного, который производит гул на частоте линии за счет вибрации пластин сердечника. [4]
Электронные балласты часто основаны на топологии импульсного источника питания (SMPS), сначала выпрямляя входную мощность, а затем прерывая ее на высокой частоте. Усовершенствованные электронные балласты могут обеспечивать диммирование с помощью широтно-импульсной модуляции или путем изменения частоты на более высокое значение. Балласты, включающие микроконтроллер (цифровые балласты), могут обеспечивать дистанционное управление и мониторинг через такие сети, как LonWorks , цифровой адресуемый интерфейс освещения (DALI), DMX512 , цифровой последовательный интерфейс (DSI) или простое аналоговое управление с использованием сигнала управления яркостью 0-10 В постоянного тока. Были введены системы с дистанционным управлением уровнем освещенности через беспроводную ячеистую сеть . [5]
Электронные балласты обычно подают питание на лампу с частотой 20 000 Гц или выше, а не с частотой сети 50–60 Гц ; это существенно устраняет стробоскопический эффект мерцания, продукт частоты линии, связанный с люминесцентным освещением (см. светочувствительная эпилепсия ). Высокая выходная частота электронного балласта обновляет люминофоры в люминесцентной лампе так быстро, что не происходит никакого заметного мерцания. Индекс мерцания, используемый для измерения заметной модуляции света, имеет диапазон от 0,00 до 1,00, где 0 указывает на самую низкую вероятность мерцания, а 1 — на самую высокую. Лампы, работающие на магнитных балластах, имеют индекс мерцания от 0,04 до 0,07, в то время как цифровые балласты имеют индекс мерцания ниже 0,01. [6]
Поскольку в дуговом потоке остается больше ионизированного газа, лампа работает с эффективностью примерно на 9% выше примерно 10 кГц. Эффективность лампы резко возрастает примерно на 10 кГц и продолжает улучшаться примерно до 20 кГц. [7] Модернизация электронных балластов для существующих уличных фонарей была испытана в некоторых канадских провинциях около 2012 года; [8] с тех пор модернизация светодиодов стала более распространенной.
Благодаря более высокой эффективности самого балласта и более высокой эффективности лампы на более высокой частоте электронные балласты обеспечивают более высокую эффективность системы для ламп низкого давления, таких как люминесцентные лампы. Для ламп HID нет улучшения эффективности лампы при использовании более высокой частоты. Более того: лампы HID, такие как металлогалогенные лампы и натриевые лампы высокого давления, имеют пониженную надежность при работе на высоких частотах в диапазоне 20–200 кГц из-за акустического резонанса ; для этих ламп в основном используется низкочастотный ток прямоугольной формы с частотой в диапазоне 100–400 Гц , с тем же преимуществом более низкого снижения освещенности.
Большинство электронных балластов нового поколения могут работать как с натриевыми лампами высокого давления (HPS), так и с металлогалогенными лампами . Балласт изначально работает как стартер для дуги с помощью своего внутреннего зажигателя, подавая высоковольтный импульс, а затем он работает как ограничитель/регулятор электрического потока внутри цепи. Электронные балласты также работают намного холоднее и легче своих магнитных аналогов. [6]
Эта техника использует комбинацию нити накаливания – катода на каждом конце лампы в сочетании с механическим или автоматическим (биметаллическим или электронным) переключателем, который изначально соединяет нити накаливания последовательно с балластом для их предварительного нагрева. Когда нити накаливания отсоединяются, индуктивный импульс от балласта запускает лампу. Эта система описывается как «Preheat» в Северной Америке и «Switch Start» в Великобритании и не имеет конкретного описания в остальном мире. Эта система распространена в странах с напряжением 200–240 В (и для ламп с напряжением 100–120 В мощностью до 30 Вт).
Хотя индуктивный импульс повышает вероятность запуска лампы при размыкании пускового переключателя, на самом деле это не обязательно. Балласт в таких системах может быть и резистором. В ряде люминесцентных ламп в качестве балласта в конце 1950-х и вплоть до 1960-х годов использовались лампы накаливания. Были изготовлены специальные лампы, рассчитанные на напряжение 170 вольт и мощность 120 ватт. Лампа имела тепловой стартер, встроенный в 4-штырьковый цоколь. Потребляемая мощность была намного больше, чем при использовании индуктивного балласта (хотя потребляемый ток был таким же), но более теплый свет от лампового типа балласта часто предпочитался пользователями, особенно в домашних условиях.
Резистивные балласты были единственным типом, который можно было использовать, когда единственным источником питания люминесцентной лампы был постоянный ток. Такие фитинги использовали тепловой тип стартера (в основном потому, что они вышли из употребления задолго до изобретения тлеющего стартера ), но можно было включить в цепь дроссель, единственной целью которого было обеспечение импульса при размыкании переключателя стартера для улучшения запуска. Фитинги постоянного тока были осложнены необходимостью менять полярность питания трубки каждый раз, когда она начиналась. Невыполнение этого требования значительно сокращало срок службы трубки.
Мгновенный пусковой балласт не нагревает электроды, а вместо этого использует относительно высокое напряжение (~600 В) для инициирования дуги разряда. Это наиболее энергоэффективный тип, но он обеспечивает наименьшее количество циклов запуска лампы, поскольку материал выдувается с поверхности холодных электродов каждый раз, когда лампа включается. Мгновенные пусковые балласты лучше всего подходят для приложений с длительными рабочими циклами, где лампы не часто включаются и выключаются. Хотя они в основном использовались в странах с сетевым питанием 100-120 вольт (для ламп мощностью 40 Вт и выше), они были недолго популярны в других странах, потому что лампа запускалась без мерцания систем пуска переключателя. Популярность была недолгой из-за короткого срока службы лампы.
Балласт быстрого запуска всегда нагревает электроды лампы, используя ту же мощность нагрева, до, во время и после запуска лампы, используя нагревательную трансформаторную катушку. Он обеспечивает более длительный срок службы лампы и больший циклический ресурс, чем мгновенный запуск, но имеет очень высокие потери балласта по сравнению с другими типами балластов, поскольку электроды на каждом конце лампы продолжают потреблять мощность нагрева по мере работы лампы. Опять же, хотя быстрый запуск популярен в Соединенных Штатах и Канаде для ламп мощностью 40 Вт и выше, он иногда используется в других странах, особенно там, где мерцание систем пуска переключателя нежелательно.
Некоторые американские электронные балласты для люминесцентных ламп с маркировкой «Быстрый старт» в остальном полностью отличаются от классических американских балластов с быстрым стартом, поскольку они используют резонанс для запуска лампы и нагрева катодов и не обеспечивают постоянную одинаковую мощность нагрева независимо от состояния лампы.
Диммируемый балласт очень похож на балласт быстрого запуска, за исключением того, что автотрансформатор подключен к диммеру. Диммируемый тип квадрака может использоваться с диммирующим балластом, который поддерживает ток нагрева, позволяя при этом контролировать ток лампы. Параллельно люминесцентной трубке необходимо подключить резистор сопротивлением около 10 кОм, чтобы обеспечить надежное зажигание квадрака при низких уровнях освещенности.
Электронный балласт со встроенной батареей предназначен для аварийного освещения выхода в случае отключения электроэнергии (обычно менее 2 часов). Их можно использовать в качестве альтернативы аварийному освещению, работающему от резервного электрогенератора. Однако аварийные балласты требуют регулярного тестирования и имеют срок службы 10–12 лет.
Гибридный балласт имеет трансформатор с магнитным сердечником и катушкой и электронный переключатель для цепи нагрева электродов . Как и магнитный балласт, гибридный блок работает на частоте сети — например, в Европе 50 Гц. Эти типы балластов, которые также называются балластами с отключением катода , отключают цепь нагрева электродов после запуска ламп.
Для балласта освещения в Северной Америке используется балластный фактор ANSI для сравнения светового потока (в люменах) лампы, работающей на балласте, с лампой, работающей на эталонном балласте ANSI. Эталонный балласт управляет лампой при ее номинальной мощности, указанной в ANSI. [9] [10] Балластный фактор практических балластов должен учитываться при проектировании освещения ; низкий балластный фактор может сэкономить энергию, но будет производить меньше света и сократит срок службы лампы. Для люминесцентных ламп балластный фактор может отличаться от эталонного значения 1,0. [11]
В ранних цветных телевизорах с трубкой использовался балластный триод , такой как PD500, в качестве параллельного шунтирующего стабилизатора для ускоряющего напряжения электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), чтобы поддерживать постоянным коэффициент отклонения ЭЛТ.
