Электрический балласт — это устройство, включенное последовательно с нагрузкой для ограничения силы тока в электрической цепи .
Известным и широко используемым примером является индуктивный балласт, используемый в люминесцентных лампах для ограничения тока через трубку, который в противном случае поднялся бы до разрушительного уровня из-за отрицательного дифференциального сопротивления вольт-амперной характеристики лампы.
Балласты сильно различаются по сложности. Они могут быть такими простыми, как резистор , катушка индуктивности или конденсатор (или их комбинация), подключенные последовательно с лампой; или столь же сложны, как электронные балласты, используемые в компактных люминесцентных лампах (КЛЛ).
Электрический балласт — это устройство, ограничивающее ток через электрическую нагрузку . Они чаще всего используются, когда напряжение на клеммах нагрузки (например, дугового разряда) снижается при увеличении тока через нагрузку. Если бы такое устройство было подключено к источнику питания постоянного напряжения, оно потребляло бы все больший ток, пока не выйдет из строя или не приведет к выходу из строя источника питания. Чтобы предотвратить это, балласт обеспечивает положительное сопротивление или реактивное сопротивление , ограничивающее ток. Балласт обеспечивает правильную работу устройства отрицательного сопротивления путем ограничения тока.
Балласты также можно использовать просто для ограничения тока в обычной цепи с положительным сопротивлением. До появления твердотельного зажигания автомобильные системы зажигания обычно включали балластный резистор для регулирования напряжения, подаваемого в систему зажигания.
Для простых маломощных нагрузок, таких как неоновая лампа , обычно используется постоянный резистор. Поскольку сопротивление балластного резистора велико, оно определяет ток в цепи, даже несмотря на отрицательное сопротивление , создаваемое неоновой лампой.
Балласт также был компонентом, используемым в автомобильных двигателях ранних моделей , который снижал напряжение питания системы зажигания после запуска двигателя. Для запуска двигателя требуется значительное количество электрического тока от аккумуляторной батареи , что приводит к столь же значительному падению напряжения. Чтобы двигатель мог запуститься, система зажигания была рассчитана на работу при этом более низком напряжении. Но как только автомобиль завелся и стартер отключился, нормальное рабочее напряжение оказалось слишком высоким для системы зажигания. Чтобы избежать этой проблемы, последовательно с системой зажигания был установлен балластный резистор, в результате чего получилось два разных рабочих напряжения для систем запуска и зажигания.
Иногда этот балластный резистор выходил из строя, и классическим признаком этого отказа было то, что двигатель работал во время проворачивания (пока резистор был зашунтирован), но сразу же глох, когда проворачивание прекращалось (и резистор снова подключался в цепь через замок зажигания). Современные электронные системы зажигания (используемые с 1980-х или конца 70-х годов) не требуют балластного резистора, поскольку они достаточно гибки, чтобы работать при более низком пусковом напряжении или нормальном рабочем напряжении.
Еще одним распространенным применением балластного резистора в автомобильной промышленности является регулировка скорости вентилятора вентиляции. Балласт представляет собой постоянный резистор с обычно 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 возникает, 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 большим током (до 10 А), что в конечном итоге приведет к его сгоранию. Это приведет к тому, что вентилятор не сможет работать на пониженных скоростях.
В некотором потребительском электронном оборудовании, особенно в телевизорах эпохи ламп ( вакуумных ламп ), а также в некоторых недорогих проигрывателях, нагреватели электронных ламп подключались последовательно. Поскольку падение напряжения на всех последовательно включенных нагревателях обычно было меньше полного напряжения сети, необходимо было предусмотреть балласт для сброса избыточного напряжения. Для этой цели часто использовался резистор, так как он был дешевым и работал как с переменным током (AC), так и с постоянным током (DC).
Некоторые балластные резисторы обладают свойством увеличивать сопротивление при увеличении тока через них и уменьшать сопротивление при уменьшении тока. Физически некоторые такие устройства часто устроены как лампы накаливания . Подобно вольфрамовой нити обычной лампы накаливания, при увеличении тока балластный резистор нагревается, его сопротивление увеличивается, а падение напряжения на нем увеличивается. Если ток уменьшается, балластный резистор охлаждается, его сопротивление падает, и падение напряжения уменьшается. Таким образом, балластный резистор уменьшает колебания тока, несмотря на изменения приложенного напряжения или изменения в остальной части электрической цепи. Эти устройства иногда называют « барреттерами », и они использовались в отопительных цепях домашних радио- и телевизионных приемников переменного/постоянного тока с 1930-х по 1960-е годы. [ нужна цитата ]
Это свойство может привести к более точному регулированию тока, чем простой выбор подходящего постоянного резистора. Мощность, теряемая в резистивном балласте, также снижается, поскольку в балласте теряется меньшая часть общей мощности по сравнению с той, которая могла бы потребоваться при использовании постоянного резистора.
Раньше [ когда? ] сушилки для домашней одежды иногда включали бактерицидную лампу последовательно с обычной лампой накаливания; лампа накаливания служила балластом бактерицидной лампы. В 1960-х годах в странах с напряжением 220–240 В в домах обычно использовался источник света в виде круглой трубки с балластом от обычной сетевой лампы накаливания. Ртутные лампы с самобалластом включают в себя обычные вольфрамовые нити внутри общей оболочки лампы, которые действуют как балласт и дополняют недостающую красную область производимого светового спектра.
Индуктор , обычно дроссель , очень распространен в балластах линейной частоты и обеспечивает правильное пусковое и рабочее электрическое состояние для питания люминесцентной лампы или газоразрядной лампы. (Из-за использования дросселя такие балласты обычно называют магнитными балластами .) Индуктор имеет два преимущества:
Недостатком дросселя является то, что ток смещается в противофазе с напряжением, что приводит к низкому коэффициенту мощности . В более дорогих балластах конденсатор часто сочетается с дросселем для коррекции коэффициента мощности. В балластах автотрансформаторов , которые управляют двумя или более лампами, балласты сетевой частоты обычно используют разные фазовые соотношения между несколькими лампами. Это не только уменьшает мерцание отдельных ламп, но и помогает поддерживать высокий коэффициент мощности. Эти балласты часто называют балластами с опережением-запаздыванием , поскольку 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 «Нормальный коэффициент мощности»), но это вводит в заблуждение, поскольку коэффициент мощности может быть только высоким или низким, а не «нормальным».
В большинстве балластов на 220–240 В конденсатор не встроен внутрь балласта, как в балластах Северной Америки, а подключается параллельно или последовательно с балластом.
В Европе и на большинстве территорий с напряжением 220–240 В сетевого напряжения достаточно для запуска ламп мощностью более 30 Вт с последовательным индуктором. Однако в Северной Америке и Японии сетевого напряжения (120 В или 100 В соответственно) может быть недостаточно для запуска ламп мощностью более 30 Вт с последовательным индуктором, поэтому в балласт включается обмотка автотрансформатора для повышения напряжения. Автотрансформатор спроектирован с достаточной индуктивностью рассеяния ( индуктивностью короткого замыкания ), чтобы ток был соответствующим образом ограничен.
Из-за необходимости использовать катушки индуктивности и конденсаторы большого размера, а также тяжелый железный сердечник катушки индуктивности, реактивные балласты, работающие на сетевой частоте, имеют тенденцию быть большими и тяжелыми. Они обычно также производят акустический шум ( гул линейной частоты ).
До 1980 года в США масла на основе полихлордифенила (ПХБ) использовались в качестве изоляционного масла во многих балластах для обеспечения охлаждения и электрической изоляции (см. Трансформаторное масло ).
Электронный балласт использует полупроводниковую электронную схему для обеспечения правильных электрических условий запуска и работы для питания газоразрядных ламп. Электронный балласт может быть меньше и легче магнитного балласта того же номинала. Электронный балласт обычно тише магнитного, который создает шум линейной частоты за счет вибрации пластин сердечника. [4]
Электронные балласты часто основаны на топологии импульсного источника питания (SMPS), сначала выпрямляющего входную мощность, а затем прерывающего ее на высокой частоте. Усовершенствованные электронные балласты могут обеспечивать регулирование яркости посредством широтно-импульсной модуляции или изменения частоты на более высокое значение. Балласты со встроенным микроконтроллером (цифровые балласты) могут обеспечивать дистанционное управление и мониторинг через такие сети, как LonWorks , цифровой адресный интерфейс освещения (DALI), DMX512 , цифровой последовательный интерфейс (DSI) или простое аналоговое управление с использованием сигнала управления яркостью 0–10 В постоянного тока. . Внедрены системы с дистанционным контролем уровня освещенности через беспроводную ячеистую сеть . [5]
Электронные балласты обычно подают питание на лампу с частотой 20 000 Гц и выше, а не с частотой сети 50–60 Гц ; это существенно устраняет стробоскопический эффект мерцания — продукта частоты линии, связанного с флуоресцентным освещением (см. светочувствительная эпилепсия ). Высокая выходная частота электронного балласта настолько быстро обновляет люминофор люминесцентной лампы, что заметного мерцания не возникает. Индекс мерцания, используемый для измерения ощутимой модуляции света, имеет диапазон от 0,00 до 1,00, где 0 указывает на самую низкую вероятность мерцания, а 1 указывает на самую высокую. Лампы, работающие на магнитных балластах, имеют индекс мерцания от 0,04 до 0,07, тогда как цифровые балласты имеют индекс мерцания ниже 0,01. [6]
Поскольку в потоке дуги остается ионизированным больше газа, эффективность лампы выше примерно на 9% выше примерно 10 кГц. Эффективность лампы резко возрастает примерно на частоте 10 кГц и продолжает повышаться примерно до 20 кГц. [7] Модернизация электронных балластов существующих уличных фонарей была протестирована в некоторых канадских провинциях примерно в 2012 году; [8] с тех пор светодиодные модификации стали более распространенными.
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 HID-ламп не наблюдается 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 привод низкочастотного тока прямоугольной формы с частотой в диапазоне 100–400 Гц , с тем же преимуществом в виде более низкой амортизации света.
Большинство электронных балластов нового поколения могут работать как с натриевыми лампами высокого давления (HPS), так и с металлогалогенными лампами . Балласт первоначально работает как зажигатель дуги с помощью внутреннего воспламенителя, подавая высоковольтный импульс, а затем работает как ограничитель/регулятор электрического потока внутри цепи. Электронные балласты также работают намного холоднее и легче, чем их магнитные аналоги. [6]
В этом методе используется комбинация нитей накала и катода на каждом конце лампы в сочетании с механическим или автоматическим (биметаллическим или электронным) переключателем, который первоначально соединяет нити последовательно с балластом для их предварительного нагрева. Когда нити накаливания отсоединяются, индуктивный импульс балласта запускает лампу. Эта система описывается как «Предварительный нагрев» в Северной Америке и «Переключение запуска» в Великобритании и не имеет специального описания в остальном мире. Эта система распространена в странах с напряжением 200–240 В (и для ламп на 100–120 В мощностью примерно до 30 Вт).
Хотя индуктивный импульс повышает вероятность включения лампы при размыкании пускового выключателя, на самом деле в этом нет необходимости. Балластом в таких системах в равной степени может быть резистор. В ряде люминесцентных ламп с конца 1950-х по 1960-е годы в качестве балласта использовалась лампа накаливания. Были изготовлены специальные лампы, рассчитанные на напряжение 170 Вольт и 120 Вт. Лампа имела термостартер, встроенный в 4-контактный цоколь. Требования к мощности были намного выше, чем при использовании индуктивного балласта (хотя потребляемый ток был таким же), но пользователи часто предпочитали более теплый свет от балласта лампового типа, особенно в домашних условиях.
Резистивные балласты были единственным типом, который можно было использовать, когда единственным источником питания люминесцентной лампы был постоянный ток. В такой арматуре использовался стартер теплового типа (в основном потому, что они вышли из употребления задолго до изобретения тлеющего стартера ), но можно было включить в схему дроссель, единственной целью которого было создание импульса на открытие стартера. переключитесь для улучшения запуска. Фитинги постоянного тока были сложны из-за необходимости менять полярность подачи питания на лампу при каждом ее включении. Несоблюдение этого требования значительно сократило срок службы трубки.
Балласт мгновенного запуска не нагревает электроды, а использует относительно высокое напряжение (~ 600 В) для инициирования разрядной дуги. Это наиболее энергоэффективный тип, но он обеспечивает наименьшее количество циклов включения лампы, поскольку материал удаляется с поверхности холодных электродов при каждом включении лампы. Балласты мгновенного запуска лучше всего подходят для применений с длительными рабочими циклами, когда лампы не часто включаются и выключаются. Хотя они в основном использовались в странах с напряжением сети 100–120 В (для ламп мощностью 40 Вт и выше), на короткое время они были популярны в других странах, поскольку лампы запускались без мерцания систем запуска с помощью выключателя. Популярность была недолгой из-за короткого срока службы лампы.
Балласт быстрого запуска всегда нагревает электроды лампы, используя одинаковую мощность нагрева, до, во время и после запуска лампы, с помощью катушки нагревательного трансформатора. Он обеспечивает более длительный срок службы лампы и больший срок службы, чем мгновенный запуск, но имеет очень высокие потери балласта по сравнению с другими типами балластов, поскольку электроды на каждом конце лампы продолжают потреблять тепловую мощность во время работы лампы. Опять же, хотя быстрый запуск популярен в США и Канаде среди ламп мощностью 40 Вт и выше, быстрый запуск иногда используется в других странах, особенно там, где мерцание систем запуска с помощью переключателя нежелательно.
Некоторые американские электронные балласты для люминесцентных ламп с маркировкой «Быстрый запуск» в остальном полностью отличаются от классических американских балластов для быстрого запуска, поскольку они используют резонанс для запуска лампы и нагрева катодов и не обеспечивают все время одинаковую мощность нагрева. независимо от состояния лампы.
Диммируемый балласт очень похож на балласт быстрого запуска, за исключением того, что автотрансформатор подключен к диммеру. Диммер типа Quadrac можно использовать с диммирующим балластом, который поддерживает ток нагрева, позволяя при этом контролировать ток лампы. Резистор сопротивлением около 10 кОм необходимо подключить параллельно люминесцентной лампе, чтобы обеспечить надежное срабатывание квадрака при слабом уровне освещенности.
Электронный балласт со встроенной батареей предназначен для обеспечения аварийного освещения выхода в случае сбоя питания (обычно менее 2 часов). Их можно использовать в качестве альтернативы выходному освещению, работающему от резервного электрического генератора. Однако аварийные балласты требуют регулярных испытаний и имеют срок службы 10–12 лет.
Гибридный балласт имеет магнитопроводной трансформатор и электронный переключатель цепи нагрева электродов . Как и магнитный балласт, гибридный агрегат работает на частоте сети — например, в Европе 50 Гц. Эти типы балластов, которые еще называют балластами с катодным размыканием , разъединяют цепь электрода -нагрева после запуска ламп.
Для осветительного балласта в Северной Америке используется коэффициент балласта ANSI для сравнения светоотдачи (в люменах) лампы, работающей на балласте, с лампой, работающей на эталонном балласте ANSI. Эталонный балласт обеспечивает работу лампы при номинальной мощности, указанной ANSI. [9] [10] При проектировании освещения необходимо учитывать коэффициент балласта практических балластов ; низкий коэффициент балласта может сэкономить энергию, но будет производить меньше света и сокращать срок службы лампы. Для люминесцентных ламп коэффициент балласта может варьироваться от эталонного значения 1,0. [11]
В ранних цветных телевизорах на основе трубки использовался балластный триод , такой как PD500, в качестве параллельного шунтирующего стабилизатора ускоряющего напряжения электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), чтобы поддерживать постоянный коэффициент отклонения ЭЛТ.
