Устройство и принцип работы балласта для люминесцентных ламп

Несмотря на бурное развитие полупроводниковых технологий, люминесцентные лампы продолжают широко использоваться. В этой статье мы выясним, что такое балласт для ламп. Узнаем, почему это обязательная деталь любого люминесцентного светильника. В дополнение разберемся в несложном ремонте этого пускорегулирующего узла.

Что такое балласт и для чего он нужен

Чтобы разобраться, для чего нужен балласт, необходимо понимать принцип работы люминесцентной лампы (ЛЛ). Рассмотрим ее устройство. Конструктивно любая люминесцентная лампа – стеклянная колба в виде трубки, в концы которой запаяны тугоплавкие спирали накаливания, являющиеся электродами. Колба заполнена инертным газом с небольшим добавлением металлической ртути. Изнутри она покрыта люминофором – веществом, способном излучать видимый свет при облучении его ультрафиолетом.

При подаче напряжения на электроды в колбе возникает тлеющий разряд. Поток электронов активирует атомы ртути, и те начинают излучать в ультрафиолетовом диапазоне. Ультрафиолет воздействует на люминофор, заставляя его ярко светиться в видимом спектре.

Сам ультрафиолет поглощается люминофором и стеклом колбы. Он не покидает пределов лампы. Это исключает вредное воздействие ультрафиолетового излучения на человека.

Теоретически все просто. На самом деле в холодной выключенной лампе при подаче рабочего напряжения на электроды разряда не произойдет, поскольку ртуть находится в конденсированном состоянии, а сопротивление инертного газа между электродами слишком велико. При запуске ртуть начинает испаряться, сопротивление газового промежутка между электродами резко падает, и тлеющий разряд в колбе переходит в неуправляемый дуговой. Для нормальной работы лампы необходимо выполнение двух условий:

1. Запуск.
2. Поддержание рабочего тока через колбу.

Этим и занимаются балласты, или пускорегулирующие аппараты (ПРА). Без них ни одна люминесцентная лампа работать не может.

Разновидности

Первоначально в качестве ПРА для люминесцентной лампы использовались электромагнитные дроссели (балласты) со стартерами. Этот комплект назывался электромагнитным пускорегулирующим аппаратом – ЭмПРА. Позже появились электронные аналоги ЭмПРА на транзисторах и микросхемах, выполняющие ту же функцию. Они получили название ЭПРА (электронный пускорегулирующий аппарат), или просто «электронный балласт». Рассмотрим конструкцию и принцип работы этих пускорегулирующих устройств.

Нередко под ЭмПРА подразумевают только электромагнитный дроссель, что не совсем верно. ЭмПРА – это дроссель и стартер – два отдельных узла.

Электромагнитный

ЭмПРА – это обычный дроссель – катушка, намотанная на магнитопроводе, и газоразрядная малогабаритная лампочка со встроенными биметаллическими контактами (рабочими электродами).

Рассмотрим процессы, происходящие в светильнике с ЭмПРА. При включении в колбе стартера зажигается разряд, который нагревает электроды из биметалла. В результате электроды замыкаются и подключают к питающей сети через дроссель спирали электродов ЛЛ. При этом тлеющий разряд в колбе лампочки-стартера гаснет.

Спирали люминесцентной лампы разогреваются, их способность испускать электроны многократно увеличивается. После остывания контактов стартера они размыкаются. В результате на электродах ЛЛ появляется импульс высокого (до 1 кВ) напряжения, создаваемого самоиндукцией дросселя.

На схеме буквами обозначены:

• А – люминесцентная лампа.
• В – сеть переменного тока.
• С – стартер.
• D – биметаллические электроды.
• Е – искрогасящий конденсатор.
• F – нити накала катодов.
• G – электромагнитный дроссель (балласт).

Высокое напряжение пробивает газовый промежуток. В колбе ЛЛ начинается разряд. При этом ртуть переходит в парообразное состояние, сопротивление газового промежутка резко падает. Чтобы разряд не перешел в неуправляемый дуговой, ток через лампу ограничивается дросселем с большим индуктивным сопротивлением. Поэтому его называют балластом.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Поскольку рабочее напряжение на электродах работающей лампы ниже напряжения зажигания стартера, в последующем функционировании светильника он не участвует.

Электронный

Внешне электронный балласт для люминесцентных ламп похож на электромагнитный. У него серьезные конструктивные отличия и другой принцип работы.

Как видно на фото, в электронном балласте много радиоэлементов. Рассмотрим типовую структурную схему ЭПРА и узнаем, как он работает.

Переменное сетевое напряжение проходит через фильтр электромагнитных помех, выпрямляется, сглаживается и подается на инвертор. Задача инвертора – обеспечить напряжение для работы ЛЛ. Сформированное инвертором напряжение через схему ограничения тока (балласт) подается на лампу. Схема запуска служит только для пуска ЛЛ. После выполнения своей функции в дальнейшей работе она не участвует.

Узлы инвертора, балласта и пуска на структурной схеме разделены условно. Часто функции балласта выполняет инвертор, дополнительно являющийся стабилизатором тока. В некоторых схемах он играет роль стартера, самостоятельно принимая решение о подогреве спиралей лампы и о подаче на них запускающего высоковольтного импульса.

Более простые схемы запуска представляют собой обычный конденсатор, образующий со спиралями и выходными дросселями колебательный контур. Последний настроен на частоту работы инвертора. Возникающий при погашенной лампе резонанс повышает напряжение на электродах лампы до единиц и даже десятков киловольт и зажигает разряд в колбе без предварительного подогрева спиралей (холодный пуск).

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Холодный пуск сокращает срок службы ЛЛ, поскольку в таком режиме при образовании разряда из холодных катодов вырываются куски активной массы, разрушая покрытие, обеспечивающее стабильный разряд. В результате увеличивается рабочее напряжение ЛЛ и напряжение запуска. Они не в состоянии обеспечить ЭПРА.

Что даёт такая схема? Прежде всего, мерцание. Обычный электромагнитный дроссель питает лампу переменным током частотой 50 Гц. Люминофор имеет малую инерционность и в промежутках между полуволнами заметно теряет яркость свечения. В результате люминесцентная лампа заметно мерцает. Это плохо для зрения.

Особенно заметно мерцание на изношенных лампах, люминофор которых теряет свойства инерционности.

Инвертор, питающий ЛЛ, работает на частотах десятка и даже сотни кГц. При этом инерционности люминофора достаточно, чтобы «переждать» паузы между питающими импульсами без заметной потери яркости. То есть благодаря ЭПРА у люминесцентной лампы малый коэффициент пульсаций.

Далее электронная схема обеспечивает стабильным питанием лампу, даже если сетевое напряжение отличается от номинального. К примеру, ЭПРА POSVET (фото см. выше) позволяет работать ЛЛ при напряжении в сети от 195 до 242 В. У лампы, подключённой через ЭмПРА, при таких напряжениях либо сократится срок эксплуатации, либо она не запустится.

Варианты схем подключения

Схему подключения люминесцентной лампы через электромагнитное пускорегулирующее устройство мы рассмотрели. Она стандартная и без вариаций. Обычно дополняется конденсатором, подключаемым параллельно светильнику. Он служит для снижения реактивной мощности, которую потребляет любая реактивная нагрузка, в том числе дроссель.

К одному дросселю можно подключить две люминесцентные лампы. При этом необходимо выполнить следующие условия:

1. ЛЛ имеют одинаковую мощность.
2. Мощность балласта равна сумме мощностей ЛЛ.
3. ЛЛ рассчитаны на рабочее напряжение 110 В (при питании от сети 220 В).
4. Стартеры рассчитаны на рабочее напряжение 110 В.

Схема подключения двух ламп к одному дросселю выглядит так (мощности дросселя 36 W  и ламп 2х18 W условные):

Важно! Для эффективной компенсации реактивной мощности необходимо подобрать конденсатор соответствующей емкости. Она зависит от мощности светильника. К примеру, для лампы 18 Вт необходим конденсатор емкостью 4.5 мкФ. В светильник с лампой 60 Вт устанавливается емкость 7 мкФ. Конденсаторы должны быть неполярными и рассчитаны на рабочее напряжение не ниже 400 В. Обычно используют бумажные конденсаторы МБГО и МГП.

Поскольку электронный балласт, как правило, имеет в составе пусковое устройство, подключить к нему ЛЛ проще. Для сборки светильника понадобятся лишь провода. Самый простой пример – одна лампа, один ЭПРА.

Существуют балласты, работающие с несколькими лампами. Для примера ниже приведены схемы подключения ЭПРА на 2 ЛЛ.

Схема подключения балласта, рассчитанного на работу с четырьмя ЛЛ, выглядит так:

Универсальные приборы в зависимости от схемы включения могут работать с произвольным количеством ЛЛ разной мощности.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Все приведенные схемы являются общими. Каждый ЭПРА может включаться особым образом. Поэтому прежде чем взяться за монтаж, необходимо выяснить схему включения. Она есть в сопроводительной документации и, как правило, наносится на корпус прибора. Там же указана мощность ламп и диапазон питающих напряжений.

Ремонт электронного балласта для люминесцентных ламп

Прежде чем ремонтировать балласт, убедитесь, что проблема не в самой лампе. Проверить исправность ЛЛ несложно. Для этого вынимаем ее из светильника и прозваниваем спирали катодов любым тестером в режиме измерения малых сопротивлений. Если у нас в руках так называемая КЛЛ, то для прозвонки спиралей ее придется разобрать. При проверке обеих спиралей прибор должен показать сопротивление от нескольких единиц до нескольких десятков Ом (зависит от мощности лампы).

Если хотя бы одна из спиралей не «звонится», лампа неисправна. На фото выше слева спираль исправна, справа – в обрыве. ЛЛ не работает и отремонтировать её невозможно.

Неисправность ЛЛ может заключаться в осыпании активного слоя, нанесенного на спирали, хотя они и будут звониться. При этом резко повышается напряжение пуска лампы и рабочее. Их ЭПРА обеспечить не может. Но такая неисправность не появляется мгновенно. Светильник начинает тяжело включаться, самопроизвольно перезапускаться и в результате тухнет вовсе.

Распространённые принципиальные схемы

Прежде чем перейти к ремонту, рассмотрим несколько распространённых схем электронных балластов для люминесцентных ламп. Начнём с самой простой. Она используется в светильниках небольшой мощности, включая компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

Схема простого балласта люминесцентной лампы

Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом D3-D6 и сглаживается высоковольтным конденсатором С4. Пройдя через фильтр L2, С7, питает блокинг-генератор, собранный на транзисторах Q1, Q2 и трансформаторе Т1. Рабочая частота генератора обычно составляет 10-20 кГц. Импульсное напряжение, снятое с обмотки Т1, через дроссель L1 поступает на выводы катодов люминесцентной трубки LMP1. Вторые выводы катодов соединены через конденсатор С5.

После подачи на схему питания генератор запускается. Напряжение с частотой преобразования подается на катоды лампы. Пока разряда в колбе нет, напряжение проходит через спирали и С5. Емкость С5 подобрана такой, что она вместе со спиралями LMP1, дросселем L1 и обмоткой Т1 образует колебательный контур, настроенный на частоту работы генератора. В результате резонанса напряжение на катодах возрастает до 1 кВ. Происходит пробой газового промежутка в колбе – лампа запускается.

За счёт низкого сопротивления разряда в колбе конденсатор C5 шунтируется, резонанс срывается, и на электроды поступает рабочее напряжение, необходимое для ЛЛ. Ток через колбу LMP1 ограничивается дросселем L1.

Поскольку рабочая частота дросселя высока, он имеет скромные размеры по сравнению с электромагнитным балластом, функционирующим на частоте 50 Гц.

Эта схема обеспечивает холодный пуск лампы. То есть она зажигается без предварительного подогрева катодов и практически мгновенно. Это не оптимальный режим, поскольку резко сокращает срок службы ЛЛ. А теперь посмотрим на следующую схему.

В целом схема та же с аналогичным принципом работы. Сетевое напряжение выпрямляется, сглаживается и питает генератор, питающий, в свою очередь, ЛЛ. Но обратите внимание на терморезистор, подключённый параллельно пусковому конденсатору С3. Терморезистор имеет положительный ТКС (такой прибор еще называют позистором). Пока холодный, он обладает низким сопротивлением. При подаче питания на светильник позистор шунтирует С3 и резонанса не происходит – нити накала подогреваются рабочим напряжением, недостаточным для образования разряда в колбе LMP1.

Через некоторое время позистор разогревается протекающим через него током. Его сопротивление возрастает. Конденсатор С3 перестает шунтироваться, возникает резонанс. Напряжение на электродах увеличивается до 1 кВ. Происходит пробой газового промежутка в колбе – лампа запускается.

В дальнейшем при работе лампы часть тока протекает и через позистор, поддерживая его в разогретом состоянии, чтобы он не мешал работе ЛЛ. Это снижает КПД конструкции (на разогрев позистора тратится энергия), но расходы эти незначительны – сопротивление нагретого терморезистора велико, а ток через него мал. Кроме того, они оправданы многократно увеличенным сроком службы люминесцентной лампы за счёт ее «правильного» запуска.

В завершение рассмотрим более сложную и «умную» схему ЭПРА, собранную на специализированной микросхеме. Примерно о таком балласте шла речь в разделе «Варианты схем подключения». Там он позиционировался как универсальный и мог работать с произвольным количеством ЛЛ разной мощности (от 1 до 4).

Для понимания принципа его работы нам понадобятся схемы вариантов подключения ламп к этому балласту.

Работа такого балласта с ЛЛ делится на три этапа:

1. Предварительный разогрев катодов.
2. Пуск.
3. Рабочий режим.

После включения питания генератор, собранный на микросхеме D1, запускается на частоте около 65 кГц. Сигнал генератора через силовой ключ, собранный по полумостовой схеме на транзисторах VT2, VT3, подаётся на трансформатор Т2 и далее на спирали катодов ЛЛ, предварительно их разогревая.

Через опредёленное время (регулируется резистором R13) частота генератора начинает понижаться. Как только она снизится до резонансной частоты, на которую настроен контур L2С16, напряжение на катодах лампы возрастёт до 800 В. В колбе произойдёт разряд – ЛЛ запустилась. При этом на выводе 13 D1 появится напряжение, запускающее третий этап – рабочий.

Если напряжение на выводе 13 микросхемы не появилось, а на выводе 1 упало ниже 0.8 В, процесс розжига повторяется. При нескольких неудачных попытках розжига ЭПРА прекращает свою работу и отключает неисправную лампу. То же самое произойдёт при попытке запустить ЭПРА без лампы.

При удачном пуске частота генератора понижается до рабочей (устанавливается резистором R12). Ток через лампу стабилизируется и поддерживается на заданном уровне даже при значительных колебаниях величины питающего напряжения (для этой схемы – от 110 до 250 В). На элементах T1 и VT1 собран корректор активной мощности, снижающий реактивную составляющую.

Типовые неисправности и их устранение

Теперь проведём ремонт балласта люминесцентной лампы своими руками. Сложную неисправность мы не устраним – для этого потребуются определённые знания и приборы, но с проблемами попроще справимся. Посмотрим, что чаще всего ломается из того, что мы можем найти и исправить:

• некачественный монтаж;
• предохранитель;
• высоковольтный конденсатор;
• выпрямительный мост;
• силовой транзистор;
• дроссель/трансформатор.

Итак, разбираем пускорегулирующее устройство и делаем визуальный осмотр. Все элементы, дорожки и пайки должны быть в хорошем состоянии – без следов деформации, потемнения, разрушения и обугливания. На фото ниже отлично видны (слева направо и сверху вниз):

• некачественная пайка;
• вздутие сглаживающего конденсатора;
• сгоревший дроссель;
• пробитый транзистор (часть корпуса вырвана).

Если находим такие элементы, меняем их. Обнаруживаем непропай – лудим и пропаиваем.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

После замены не включаем балласт, а проверяем остальные элементы по методике, описанной ниже, поскольку выход из строя одного элемента может быть как причиной, так и следствием неисправности других. К примеру, вздутие конденсатора вызывается пробоем выпрямительного диода. Предохранитель может сгореть из-за вышедшего из строя силового транзистора или конденсатора.

Теперь посмотрим, как выглядят вышеперечисленные элементы на плате драйвера. В зависимости от модели прибора они могут располагаться в другом месте, но различия обычно незначительны. Найти нужный элемент нетрудно.

На фото цифрами обозначены:

• 1 – предохранитель;
• 2 – диодный мост;
• 3 – сглаживающий конденсатор;
• 4 – силовые транзисторы;
• 5 – импульсный трансформатор;
• 6 – дроссель.

Теперь берем в руки тестер и проверяем предохранитель (если он есть), не выпаивая его из схемы. Прибор в режиме измерения низкого сопротивления или проверки диодов должен показать ноль. В противном случае предохранитель неисправен.

Выпрямительный мост. Он может быть собран как на отдельных диодах, так и представлять собой сборку из четырех диодов в одном корпусе. На фото ниже такая сборка отмечена стрелкой.

В любом случае прозваниваем каждый диод в обоих направлениях тестером, включённым в режим проверки полупроводников. В одном направлении прибор должен показать падение напряжения порядка нескольких сот милливольт, в другом – бесконечность. Диоды перед проверкой выпаивать не нужно.

Конденсатор. Этот элемент выглядит как небольшой бочонок рядом с выпрямительным мостом. Даже если с виду он исправен (не вздулся и не взорвался), стоит его проверить. Для этого выпаиваем конденсатор из схемы и прозваниваем в режиме проверки диодов, предварительно кратковременно замкнув его выводы, чтобы разрядить.

В первый момент прибор покажет малые значения падения напряжения. По мере зарядки конденсатора они будут увеличиваться. Если показания прибора низкие и не изменяются, конденсатор пробит. Если мультиметр показывает бесконечность, то конденсатор в обрыве. В обоих случаях элемент меняем.

Транзисторы. Их для проверки тоже придется выпаять. Переводим мультиметр в режим проверки диодов и прозванивам транзистор между выводами база-коллектор и база-эмиттер в обоих направлениях. В одну сторону прибор покажет падение напряжения порядка нескольких сотен милливольт, в другую – бесконечность. Выводы коллектор-эмиттер на должны звониться вообще – в обе стороны бесконечность.

Это все, чем мы можем помочь электронному балласту. Для выявления и устранения более сложных неисправностей потребуется помощь специалиста.

Мы выяснили, для чего нужен балласт люминесцентной лампе. Узнали, какими эти балласты бывают, как работают, научились устранять распространенные неисправности этого электронного узла.