Энергосберегающие лампы. Изучение электроники КЛЛ (часть 2) (страница 4)
реклама
Модель Genie 14W, 3U, 14 Вт, 2700К.
С теста лампа снята с режима коммутации с диагнозом «не включается», ток потребления 0.
Список ключевых элементов КЛЛ:
компонента |
напряжение |
|
|
Сглаживающий конденсатор |
|
|
|
Резонансный конденсатор |
|
|
|
Резонансный дроссель |
|
|
3.15 Ом |
Дроссель фильтра питания |
|
|
9.5 Ом |
Транзисторы |
|
|
|
реклама
Схема запуска с использованием динистора. Причина выхода из строя – сгорели обе нити накала. Странно, уничтожение обеих нитей я видел только на отдельных моделях «GamBiT». Может, случайность? Необычно встретить комбинацию из 13003 и TO-92. Но это хорошая «смесь», в отличие от вариаций «13002+…». Частота генерации 50 кГц (200 В) – 40 кГц (300В).
Процесс зажигания:
Да уж. Теперь нет никаких вопросов о причине перегорания нитей накала. Впрочем, посмотрим поближе, может присутствует что-то особенное?
Все то же, что уже встречалось во множестве у продукции «Космос». А вдруг постоянное напряжение питания 300 вольт чрезмерно и лампа будет устойчивее запускаться при пониженном напряжении питания? Стоит проверить, поставив 200 вольт:
Стало еще хуже. К слову, я многократно проверял КЛЛ предыдущих моделей на запуск при пониженном напряжении питания и постоянно наблюдал только ухудшение картинки запуска, по сравнению с напряжением питания 300 вольт.
реклама
Посмотрим на эти импульсы подробнее, последняя лампа обзора и можно позволить себе немного расслабиться:
Всплеск пробоя, преобразователь начинает работать, потом срыв.
Стационарная работа при напряжении питания 300 В (слева) и 200 В (справа):
Напряжение на лампе 110 вольт, ничего необычного не наблюдается.
Параметры резонансного контура и мощность лампы
Нам известны характеристики резонансных элементов ламп, из этих данных можно вычислить расчетную мощность балласта устройства. Ранее обсуждались характеристики резонансного контура типа RLC, из чего можно сделать несколько наблюдений, если говорить о работе на резонансной частоте:
- Напряжение на нагрузке возрастает по мере увеличения сопротивления нагрузки;
- Чем больше номинальное сопротивление нагрузки, тем больший ток протекает в резонансных элементах контура.
Первый случай интересен только в начальном режиме пробоя, в дальнейшем на колбе устанавливается напряжение относительно небольшой величины. Второе наблюдение просто вредно для схемы - большие ток и напряжение на резонансных элементах вызовет их сильный нагрев и поломку, я уж не говорю про рабочие мощности на транзисторах. А значит, сопротивление нагрузки должно как-то гармонировать с номиналами реактивных элементов. В этом случае проще вести разговор о добротности контура, а именно - о соотношении сопротивления нагрузки к импедансу контура (R / Z).
При расчетах обычно закладывается добротность, равная единице, то есть сопротивление нагрузки совпадает с импедансом контура. Но люминесцентная лампа является нелинейным элементом и напряжение на ней уменьшается по мере увеличения тока. Для простоты расчетов (все равно они весьма условны) можно заложить типичное напряжение горения люминесцентной лампы в 120 вольт. Для маломощных ламп с небольшой колбой это напряжение несколько меньше, а для мощных больше и, чаще всего, укладывается в диапазон 90-140 В.
Для наглядности я собрал данные по реактивным элементам протестированных ламп в одной таблице. Здесь же размещены и столбцы с вычислениями некоторых величин (отмечены знаком «*»).
|
мГн |
нФ |
частот, КГц |
частота*, КГц |
Ом |
Вт |
мощность, Вт |
GamBiT RF 051 , 9 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
GamBiT RF 049 , 13 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
GamBiT RF 064 , 13 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
GamBiT RF 066 , 20 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
GamBiT RF 067 , 25 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Экономка 15 Вт (блок) |
|
|
|
|
|
|
|
Космос 9 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Космос 15 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Космос 15 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Космос 20 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Космос 25 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Космос 25 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Космос 25 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Космос 15 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Start 23 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Start 26 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
OSRAM 16 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
OSRAM 16 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
OSRAM 16 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
OSRAM 8 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
OSRAM 11 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Philips 8 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Philips 14 Вт |
|
|
|
|
|
|
|
Если взять «фирменные» лампы, то расчеты предполагаемой мощности довольно точно совпадают с реальными мощностями ламп. Среднее расхождение составляет десять процентов, максимальное не выше двадцати.
реклама
Если же посмотреть «бюджетные» лампы, то можно наблюдать довольно интересные вещи:
- Старт: Для модели 23 Вт - расчетное 17, получено 22.4; модель 26 Вт - расчетное 20, получено 23. А что, логично - 17 в 22.4, ровно как 20 в 23. Эта арифметика вообще-то не слишком удачная и будет работать только в том случае, если на колбе последует повышенное напряжение. Если посмотреть осциллограммы ламп этой торговой марки, то там действительно напряжение несколько больше обычного.
- Космос: В основном, расчетная мощность колеблется около цифры 12 Вт и только одна лампа, самая маломощная (9 Вт), с рабочей мощностью меньше означенной цифры – но только на ней удается получить мощность потребления, заявленную производителем (даже немного больше). К слову, на этой лампе значительно снижено рабочее напряжение (пиковое 100 В), это подтверждает приведенные выкладки. Что до остальных ламп, то они недобирают мощность до номинальной. Причем, чем больше отличается рабочая мощность лампы и расчетная от параметров реактивных компонентов, тем выше степень потери реальной мощности. Или я ничего не понимаю, или кто-то совсем не стал считать балласт при проектировании.
- Экономка: Расчетная мощность 14 Вт, на лампе удалось получить только 11 Вт. Одно из двух - или колба рассчитана не на 120 вольт, а на меньшее напряжение, или начинают сказываться какие-то другие факторы, например сдвиг рабочей частоты преобразователя с резонансной. Впрочем, между «14» и «11» разница всего лишь 27 процентов, а проводимые расчеты довольно условны.
- GamBiT. Собственно, ради него и затевался весь этот разговор.
По моделям GamBiT:
- RF 051 (9 Вт): Расчетная мощность 6.9 Вт, реальная 6.5 Вт.
- RF 049 (13 Вт): Расчетная мощность 7.7 Вт, реальная 7.6 Вт.
Остальные модели не столь интересны, у них не наблюдается столь фатальное падение мощности. Ну и о чем говорят произведенные вычисления? Лампы 9 Вт не могут светить на свои 9 Вт просто потому, что балласт рассчитан только на 7. То же относится и к модели 13 Вт, но сами цифры выглядят еще «веселее».
Пульсации
Лампы работают от электронного балласта, из этого факта некоторые обозреватели делают вывод, что КЛЛ излучают свет без какого-либо мерцания. То есть их яркость неизменна. Это было бы здорово, но почему из факта наличия электроники делается столь сильный вывод? Потому, что вокруг нас куча блоков питания на сеть 220 вольт и устройства работают только от стабильного напряжения? Увы, КЛЛ работают вовсе не от «напряжения питания компьютера», например, и за его стабильность никто не отвечает.
Будет оно пульсировать, ну и что? Кроме как вреда зрению, других последствий не будет, зато экономия на некоторых компонентах сразу принесет выгоду производителю. А проблемы покупателя - это их личные проблемы и производителя не интересуют. Если взять «Постановление № 602», то там про уровень пульсаций светового потока сказано «». Я процитировал всё, что приведено по данному вопросу, правда, содержательно? Коль скоро в требованиях ничего нет, то исполнять производитель ничего не обязан. Мало того, что «не обязан», так еще и сэкономить можно на электронике... думаю, дальше фразу можно не продолжать.
Кроме высказанных рассуждений есть и четкие ограничения, которые оказывают влияние на уровень пульсаций светового потока. А именно, в «Постановлении №602» содержится следующий текст:
5. Установить следующие минимально допустимые значения коэффициента мощности: [...]
в отношении компактных люминесцентных ламп мощностью от 5 до 25 Вт - не менее 0,5;
И далее:
в отношении компактных люминесцентных ламп мощностью более 25 Вт - не менее 0,85.
В обычных КЛЛ с мощностью до 25 Вт для выпрямления переменного сетевого напряжения используют диодный мост со сглаживающим конденсатором. Такое схемное решение надежно, обеспечивает заданные характеристики устройства и просто в реализации, но вот беда – характеризуется посредственным коэффициентом мощности, чуть больше 0.5. Причем, чем больше емкость сглаживающего конденсатора, тем ниже коэффициент мощности, а потому производителю невыгодно увеличивать емкость сглаживающего конденсатора - в итоге лампа может не удовлетворить требованиям нормативов и ее нельзя будет продать.
Дабы не быть голословным, посчитаем отношение емкости на ватт для представленных ламп. Последний столбец расчетный и показывает предполагаемый уровень пульсаций напряжения питания электронного балласта. Если опустить несущественные нюансы, то примерно такой величины должен быть уровень мерцания ламп.
GamBiT
|
Вт |
сглаживающего конденсатора, мкФ |
|
пульсаций, % |
RF 051 |
|
|
|
|
RF 049 |
|
|
|
|
RF 064 |
|
|
|
|
RF 066 |
|
|
|
|
RF 067 |
|
|
|
|
Экономка
|
Вт |
сглаживающего конденсатора, мкФ |
|
пульсаций, % |
1-6 |
|
|
|
|
Космос
|
Вт |
сглаживающего конденсатора, мкФ |
|
пульсаций, % |
T2 SPC 9W E2727 |
|
|
|
|
T2 SPC 15W E2742 |
|
|
|
|
T2 SPC 15W E2764 |
|
|
|
|
T2 SPC 20W E2764 |
|
|
|
|
T2 SPC 25W E2727 |
|
|
|
|
T2 SPC 25W E2764 |
|
|
|
|
T2 SPC 25W E2742 |
|
|
|
|
T2 SPC 15W E2727 E14 |
|
|
|
|
Старт
|
Вт |
сглаживающего конденсатора, мкФ |
|
пульсаций, % |
23SP |
|
|
|
|
26 3U |
|
|
|
|
OSRAM
|
Вт |
сглаживающего конденсатора, мкФ |
|
пульсаций, % |
DULUXSTAR, 3U, 16 Вт, 2700К |
|
|
|
|
DULUXSTAR, 3U, 8 Вт, E14, 2700К |
|
|
|
|
DULUXSTAR, 3U, 11 Вт, E14, 2700К |
|
|
|
|
Philips
|
Вт |
сглаживающего конденсатора, мкФ |
|
пульсаций, % |
Tornado 8W |
|
|
|
|
Genie 14W |
|
|
|
|
Гм, наглядное подтверждение высказанного ранее предположения - фирменные лампы хуже относятся к уровню мерцания. Для продукции «GamBiT» уровень пульсаций колеблется около отметки в 20%; «Космоса» - уже 26% (для более новых моделей 33%); «Экономка» - «OSRAM» - «Philips» - 28-33%. Все довольно логично, но как оказалась «Экономка» в одном строю с именитыми фирмами?
Продукция «Старт» обеспечивает относительно низкий уровень пульсаций, порядка 20% (как и у «GamBiT») и, скорее всего, данное свойство определяется тем, что это уже относительно старые лампы и болезнь «высокого коэффициента мощности» их тогда еще не затронула.
Расчеты показывают довольно высокий уровень пульсаций, а что же в реальности?
Измерение общих характеристик КЛЛ выполнялось на лампе с предполагаемым уровнем пульсаций 27% (Космос, 25 Вт, 4200К), нет никаких препятствий провести измерение стабильности светового потока. Для чего берется фотодиод с резистивной нагрузкой (для преобразования фототока в напряжение) и подключается к осциллографу.
Были получены следующие результаты:
Слева приведены данные замера КЛЛ, cправа – лампы накаливания 100 Вт. Величина пульсаций примерно одинакова, но у люминесцентной лампы явно присутствует характерная нелинейная форма колебаний, у лампы накаливания получился нормальный синусоидальный сигнал. Вообще-то, так и должно быть - уровень излучения КЛЛ пропорционален напряжению питания преобразователя, а ему свойственен быстрый заряд сглаживающего конденсатора от выпрямленного синусоидального напряжения сети с последующим медленным спадом из-за разряда.
В лампе накаливания нет каких-либо электронных компонентов и снижение интенсивности мерцания связано с тем обстоятельством, что нить накала обладает большой инерционностью и не успевает значительно остынуть/нагреться при изменении питающего напряжения. При разговоре о люминесцентных лампах и уровне мерцания принято вспоминать об инерционности люминофора. Никаких проблем, осциллограф способен показать и более высокочастотные колебания интенсивности светового потока, если он есть. После отключения в приборе фильтрации ВЧ-составляющих получаем следующую картинку:
Ну что же, частота сигнала (13 мкс) как раз соответствует рабочей частоте преобразователя, амплитуду колебаний хорошо видно на картинке. Коль скоро наблюдаются столь высокочастотные колебания, то о существенной роли послесвечения люминофора в борьбе с мерцанием можно не беспокоиться.
Что до самого уровня пульсаций, то осциллограмма показывает их уровень как 19 процентов. Гм, предполагалось 27, а измерено 19 – значит, в вычислениях или логике самих расчетов содержится ошибка. Или все же нет? При выполнении расчетов за мощность потребления преобразователя электронного балласта бралась цифра, декларируемая производителем. В действительности же реальная мощность потребления этой лампы 18 Вт, вместо заложенной в расчетах «25», а потому уровень пульсаций должен быть несколько меньше: 27 * (18/25) = 19.5 (%). Так что, цифры совпадают, это не ошибка.
Коль скоро за уровень мерцания отвечает величина емкости сглаживающего конденсатора, то можно проверить меру его влияния путем увеличения частоты напряжения питающей сети. Если частота сети будет выше, то пропорционально этому снизятся пульсации напряжения питания электронного балласта. Наверно, стоит заснять пульсации света в динамике, ведь цифры – это одно, а запись реально происходящего действия - совсем другое. Я сделал два видеофрагмента, построенных по одному и тому же принципу – первую половину частота питающей сети сильно повышена (500 Гц), а по прошествии этого интервала времени она возвращается в свое номинальное значение (50 Гц).
Пожалуйста, приведу видеофрагменты лампы накаливания (13 секунд, 190 Кбайт) 100 Вт и КЛЛ (24 секунды, 249 Кбайт). Вид и заметность мерцания у лампы накаливания и данной люминесцентной лампы примерно одинаковы (у КЛЛ скорее чуть меньше), что совпадает с измерениями, выполненными ранее. Хочу отметить, что видеокамера сильно «приукрашивает» заметность мерцания из-за отличия частоты захвата кадров (30 Гц) от частоты сети (50 Гц), что вызывает массу субгармоник вида 50-30, 50*2-30, 50*2-30*2, 50*30*3…, которые повышают заметность мерцаний. Глаз человека не обладает явной (и низкой) частотой захвата изображения, а потому субгармоники не проявляются столь сильно. Но, эти мерцания существуют, мозг их воспринимает. Поэтому свет КЛЛ всегда не такой «хороший», как, например, у низковольтных «галогенок», у которых очень толстая нить накала, а потому уровень мерцания крайне низок.
Кстати, в начале видеороликов, пока частота сети была очень высокой, вы наблюдаете какие-нибудь мерцания или другое изменение яркости свечения? Я не вижу. Это говорит о том, что «сама по себе» колба излучает свет довольно стабильно без явных флуктуаций.
На этом можно было бы завершить вопрос мерцания, но мы разбирается в вопросе устройства КЛЛ, а не выпускаем обзор. Коль подняли вопрос, то его надо рассмотреть полностью. Итак, с обычными схемными решениями всё ясно – емкость сглаживающего конденсатора определяет уровень пульсаций, причем номинал этой емкости становится все меньше и меньше, уровень мерцания - соответственно. Мне кажется, будь воля производителя, их бы вообще не ставили, но плазма может погасать при переходе синусоидального напряжения сети через 0. Электроника-то работать будет, посмотрите схему электронных балластов для «галогенок» - схема «1 в 1» повторяет балласт КЛЛ, только на выходе поставили трансформатор вместо дросселя и убрали сглаживающий конденсатор после выпрямительного диодного моста.
Собственно, ради шутки, я переделал балласт от «умершей» КЛЛ (Старт 26 Вт) для питания «галогенки» (12 В, 35 Вт) и всё работало без каких-либо проблем. Но, увы, это была лишь шутка, светоотдача «галогенки» ниже КЛЛ и получившийся внешний вид лампы, особенно ее точечный характер источника света, плохо вписывался в интерьер. Все же, под КЛЛ требуется свой тип люстр, а под «галогенки» свой. Впрочем, я опять отвлекся, извините.
Если вам не нравится видеть уровень мерцания 33 процента для качественных КЛЛ, то вынужден вас расстроить – это еще очень хорошие цифры. Вроде бы «Постановление №602» должно стоять на страже интересов потребителей, но, в действительности, эти требования подталкивают производителей на некрасивые действия. Одно из них вы уже наблюдаете – емкость сглаживающих конденсаторов снижается, что прямо вредит нашим глазам! В «Постановлении №602» игнорирован параметр «мерцание», зато прописан мало кому интересный «коэффициент мощности». Потребитель платит только за активную мощность, поэтому «коэффициент мощности» интересует только компании поставщиков электроэнергии. Впрочем, тогда все ясно, эти компании что-то значат для государства, а здоровье населения – это прибыль индустрии медицины. Я понимаю, но… но все так.
В требованиях «Постановления №602» оговаривается, что мощные КЛЛ должны быть с коэффициентом мощности не хуже 0.85 (цитату я приводил ранее). Это явно подразумевает наличие в таких лампах какой-либо разновидности PFC. Статью читают люди грамотные, поэтому сокращение «PFC», как и что это такое, разъяснять нет необходимости. Сдается мне, что «Постановление» рассчитывает на то, что производители стройными рядами будут ставить APFC. Ну да, это будет просто здорово – блок APFC на специализированном контроллере и автогенераторный преобразователь балласта. Или что полностью переходить на интегральное решение? А увеличение стоимости (и цены!) лампы в два-три раза не хотите? Впрочем, я уже как-то встречал application note, в которых предлагается использовать для мощных ламп PPFC. Типичное схемное решение выглядит следующим образом:
Диоды D1-4 – обычный диодный мост, выпрямляющий переменное сетевое напряжение в однополярное пульсирующее. А вот следом за ним собрано нечто необычное. В схеме присутствует два конденсатора вместо одного и некоторый набор диодов. Всё это сделано для того, чтобы обеспечить повышенный коэффициент мощности. А именно, заряд конденсаторов С1 и С2 происходит при их последовательном подключении, обратите внимание на проводимость диода D6. Это означает, что каждый конденсатор заряжается только до половины от величины напряжения сети (то есть 150 вольт). Разряд конденсаторов в нагрузку выполняется одновременно, для чего используются диоды D5 и D7, причем совместно. Такой прием применен с целью снижения тока заряда конденсаторов и снижения их емкости.
Дело в том, что большую часть времени схема работает прямо от выпрямленного напряжения сети без использования сглаживающих конденсаторов, и лишь небольшой промежуток времени, когда синус питающего напряжения опускается ниже 150 вольт, открываются диоды D5, D7, и сглаживающие конденсаторы начинают отдавать запасенную энергию в блок преобразователя. Попробуем прикинуть уровень пульсаций данного решения. Коль скоро напряжение на сглаживающих конденсаторах не может быть больше половины максимального выпрямленного напряжения сети, то девиация напряжения питания преобразователя будет никак не меньше двух раз. А с учетом конечной емкости устанавливаемых конденсаторов и явного отсутствия места в КЛЛ, этот коэффициент можно смело увеличить до двух с половиной-трех раз.
Если напряжение питания балласта меняется в три раза, то какой уровень мерцания будет у данной КЛЛ? Сделайте к тому поправку, что при снижении энергии в колбе может изменяться режим горения, что предполагает еще больший коэффициент мерцания. Как вам такая борьба за интересы поку… извините, оговорился, производителя?
Но и это не всё. Издевательства на тему *PFC могут быть только в мощных лампах, «Постановление №602» оговаривает это требование для КЛЛ с мощностью потребления больше 25 Вт. Если брать менее яркие лампы, то по поводу мерцания можно особо не беспокоиться? Увы, бывают и проколы, причем в дорогих решениях. Существует ряд КЛЛ, которые адаптированы для работы с обычными (тиристорными) светорегуляторами.
Для этого применяют довольно сложное схемное решение, разбирать которое ни к чему ввиду его очевидной ненужности, но у данного решения есть один нюанс, который важен для рассматриваемого вопроса – практически отсутствует сглаживающий конденсатор. Никто не будет воспринимать серьезно емкость 1-2 мкФ для КЛЛ 25 Вт в качестве элемента сглаживания мерцания и да устанавливается она только для того, чтобы преобразователь не останавливался при переходе напряжения сети через 0. Впрочем, я не хочу сказать, что все КЛЛ с возможностью работы на обычных светорегуляторах построены по подобной технологии, но – что есть, то есть. А именно, польстились на спецификации, купили дорогую фирменную лампу и… вот вам по глазам.
Пока всё.
Вывод
К сожалению, КЛЛ это наше настоящее, и с этим приходится жить. Светодиодные решения не панацея, причем автор этих строк относится с крайним пессимизмом к тем светодиодным технологиям, что присутствуют на рынке.
Что до анализа электроники и прочего – думаю, вы, уважаемый читатель, сами уже сделали свой вывод, а потому мне добавить нечего. Ремонт КЛЛ бесполезен, зачастую источник проблемы находится в колбе. Исключение составляют модели «Космос», где устанавливают заведомо неподходящий резонансный конденсатор, а потому их продукция не может выдержать сколь-нибудь значительное количество включений априори.
Стоит упомянуть «GamBiT» – их хорошо приобретать ради деталей для ремонта, не более того. Причем, колбу следует сразу выбрасывать – это просто брак. Наверно, занимательно будет смотреться процесс покупки в магазине – взял лампы, отошел от кассы, отковырнул колбы и покидал в загончик для утилизации. Электронный балласт у них весьма неплох, чего не скажешь о «Космос и сотоварищи». Почему я завел об этом речь? Я как-то посмотрел стоимость транзисторов «13001-13003» в нормальных магазинах радиодеталей и был неприятно поражен. Дешевле купить одну лампу GamBiT, чем два транзистора. Примите к сведению.
реклама
Страницы материала
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила