Особенности конвертеров для питания газосветных трубок
Одним из главных достоинств конвертеров следует считать существенно более низкие весогабаритные характеристики по сравнению с электромагнитными трансформаторами. Конвертеры, выполненные по схеме электронного преобразователя, вырабатывают высокое напряжение повышенной производственной частоты (20 – 40 кГц), поэтому намоточные изделия, используемые в них и выполненные на ферритах, имеют существенно меньшие габариты и меньший вес.
Напомним, что в производстве электромагнитных трансформаторов используются более дорогостоящие материалы: электротехническая сталь, медный провод, компаунды. В производстве же конвертеров используются относительно дешевые электронные компоненты, а количество меди и компаундов существенно меньше в силу малых габаритов устройств. Кроме того, изготовление конвертеров опирается на традиционную технологию производства электронных приборов. Все эти особенности и определяют низкую стоимость конвертеров.
Стоит заметить, что традиционные трансформаторы не обеспечивают пожаробезопасности неоновых вывесок. В силу принципа работы неоновые лампы должны подключаться к трансформатору последовательно, образуя световую линию. Тогда, при выходе из строя хотя бы одной из ламп этой линии концы выходной обмотки трансформатора находятся под высоковольтным потенциалом. Поэтому велика вероятность воздушного и/или поверхностного пробоя на расположенные вблизи металлические части установки. Особенно опасен пробой по поверхности различных пластиковых материалов, даже если они не поддерживают горения. В месте прохождения разряда образуется токопроводящая дорожка, что приводит к образованию электрической дуги, поскольку при уменьшении нагрузки ток газосветного трансформатора растет, достигая величины тока короткого замыкания. Дуговой разряд может стать причиной возгорания материалов, из которых изготовлена вывеска. Для предотвращения пожаров европейские стандарты обязывают использовать специальные защитные устройства: внешние или встроенные в конструкцию трансформатора. Однако применение защитных устройств увеличивает стоимость рекламной установки, а главное, в силу различий в стандартах сетевого напряжения, европейские защитные устройства неэффективно работают в российских сетях, что чаще всего проявляется в ложных срабатываниях. Это приводит к эксплуатационной нестабильности работы вывески. Конвертеры же свободны от этого недостатка, поскольку снабжены встроенными защитными устройствами от холостого хода и короткого замыкания.
Вдобавок, в электронную схему конвертеров легко встроить блоки, позволяющие реализовать различные свето- или даже цветодинамические эффекты работы неоновых ламп. Среди этих эффектов можно выделить импульсное включение ламп, динамическое (постепенное) зажигание столба газового разряда и изменение цвета разряда. Последние два динамических эффекта принципиально возможны только на повышенных частотах.
Однако, наряду с явными достоинствами, у конвертеров наблюдаются и недостатки, которые носят принципиальный характер. Работа неоновых ламп на повышенной промышленной частоте часто приводит к целому ряду специфических эффектов. На практике наиболее часто наблюдаются:
- эффект длинной линии;
- антенный эффект;
- утечки тока по монтажным (паразитным) емкостям;
- катафорез.
Эффект длинной линии заключается в том, что при определенной конфигурации контура и при высоком уровне нагрузки (большой длине световой линии) в высоковольтном контуре кроме бегущей электромагнитной волны появляется стоячая волна, т. е. разные точки контура (ламп) находятся под разными потенциалами. В этом случае мы наблюдаем неравномерное свечение одинаковых по качеству ламп светового контура. Если отдельная лампа контура имеет большую длину и/или сложную конфигурацию, то неравномерность горения может проявляться даже в пределах этой лампы.
Антенный эффект связан с возможностью уноса части энергии контура электромагнитной волной. Она излучается, прежде всего, высоковольтными проводами, которые и являются своеобразными антеннами.
Увеличение токовых утечек на элементы металлоконструкции связаны с тем, что их величина прямо пропорциональна частоте и величине паразитной емкости. Повышение рабочей частоты на несколько порядков заметно усиливает паразитные токи, что приводит к уменьшению яркости свечения или всей световой линии, или же отдельных ее участков. Плохие погодные условия (дождь, снег, изморозь, влажность) только усиливают эффект утечек. Поэтому даже герметичные и атмосферостойкие образцы конвертеров не могут обеспечить безотказную работу неоновых вывесок на улице.
Катафорез - это явление направленной миграции примесных газов или паров в разряде. В лампах, содержащих ртуть, такой примесью являются пары ртути. В самом деле, давление ртутных паров на два порядка меньше, чем давление аргона или аргон-неоновой смеси, которыми лампы заполняются во время их изготовления. При наличии постоянной составляющей напряжения в лампе и/или при малом (по сравнению с длиной лампы) расстоянии, на которое может переместиться молекула ртути за время полупериода рабочего напряжения, будет происходить следующее. С течением времени большая часть молекул ртути переместится к одному из электродов. Рядом с этим электродом будет наблюдаться нормальное свечение лампы, в то время как возле другого электрода яркость снизится в десятки и сотни раз.
Описанные явления носят фундаментальный характер. Эффекты от их воздействия можно несколько уменьшить, например, путем грамотного монтажа световых элементов, но нельзя свести к нулю. Это обстоятельство ставит естественные ограничения на использование конвертеров в световых вывесках. Поэтому для обеспечения нормальной работы неоновых ламп на повышенной промышленной частоте необходимо искать принципиально новые подходы, одним из которых являются так называемые схемы распределенного питания.
Суть метода
Принцип распределенного питания, хорошо известный в низковольтной технике, заключается в том, что выходной контур конвертера составляется из последовательно соединенных первичных обмоток трансформаторов, к вторичным обмоткам которых подключаются потребители. Схема подобной системы, предназначенная для питания длинной световой линии неоновых ламп, представлена на рис.1.
Рис.1. Схема распределенного питания.
1 - конвертер; L1 - Ln- неоновые лампы; Тр1 - Тр2 - ферритовые трансформаторы.
Из рисунка видно, что неоновые лампы «запитываются» независимо друг от друга. В этом случае выход из строя одной или нескольких ламп не приводит к «гашению» остальных ламп световой линии. Это свойство системы распределенного питания весьма удобно в эксплуатации, поскольку позволяет визуально выявлять вышедшие из строя лампы. Ферритовые трансформаторы Тр1 - Трn могут быть двух- и трехобмоточными. Помимо «силовой» выходной обмотки, к которой подключается неоновая лампа, может иметь место так называемая управляющая обмотка. Такой трехобмоточный трансформатор – это, по существу, магнитный усилитель. При подаче на управляющую обмотку сигнала постоянного тока можно управлять параметрами излучения каждой конкретной лампы. Например, можно осуществлять импульсный режим работы лампы («включение- выключение») или регулировать значение тока, протекающего через лампу (регулировка яркости). Возможность регулировки яркости может быть использована для создания RGB-систем. При этом токи управления чрезвычайно малы, что снижает требования к контроллерам и их стоимость, а также повышает помехозащищенность динамической рекламной установки.
У распределенной системы питания имеется еще целый ряд достоинств, на которых следует остановиться. На выходе каждого ферритового трансформатора напряжение холостого хода не превышает 2 кВ, а это значит, что уровень электромагнитного излучения проводов пренебрежимо мал. Длина контура, включающая саму лампу и подводящие провода, также пренебрежимо мала. Поэтому не возникает неравномерности свечения из-за эффекта «длинной линии».
Соединение первичных обмоток ферритовых трансформаторов производится обычным монтажным проводом. При этом, в силу малого значения напряжения в контуре, антенный эффект практически не проявляется. Поэтому конвертер можно располагать достаточно далеко от светового контура в месте, где его легко обслуживать.
Выходная вольтамперная характеристика конвертера имеет падающий характер, поэтому ток в лампах сравнительно мало зависит от количества включенных ламп. То есть в пределах некоторого диапазона нагрузка конвертера может варьироваться.
На рис. 2. приведена фотография, на которой показана работа реальной системы распределенного питания.
Рис.2. Фотография системы распределенного питания
Для демонстрации работоспособности системы использована внешняя плата, на которой расположены два ферритовых трансформатора, подключенных к мощному конвертеру. Нагрузка - неоновая лампа - подключена лишь к одному из них. Однако это не мешает работе системы. Ферритовые трансформаторы могут изготавливаться как для внутреннего, так и для наружного применения и для широкого температурного диапазона.
Несмотря на возможность адаптации к изменениям нагрузки, мощный конвертер для системы распределенного питания обычно разрабатывается под конкретную задачу, то есть является изделием индивидуального производства (так же, как контроллеры рекламных установок).
Система питания с перечисленными особенностями, разумеется, не может быть эффективна абсолютно. К примеру, для сравнительно небольших неоновых установок описанная система проигрывает по стоимости. Уровень помех, создаваемых контуром питания все же больше, чем при питании неоновых ламп обычными электромагнитными трансформаторами. Тем не менее, эти системы оптимально приспособлены для динамических установок и для создания длинных световых линий, расположенных в условиях, которые требуют:
- пожаробезопасности (например, на автозаправках);
- равномерности свечения светового контура (например, в системах интерьерной подсветки);
- удобства эксплуатации.
Таким образом, системы распределенного питания не должны рассматриваться как альтернатива существующим системам, а лишь как необходимое и естественное их дополнение.
Виктор Марков, кандидат технических наук, технолог неонового производства
