При живленні електричного кола з розрядним проміжком від джерела змінної напруги значення струму та його напрямок змінюються з частотою цієї напруги. Тому у зв’язку зі зміною полярності електродів через кожну половину періоду розряд то виникає, то гасне.
Збудження атомів і молекул газу або пари, як і повернення їх до нормального стану, відбувається настільки швидко, що при звичайній частоті (50 Гц) встановлення рівноважних станів у розряді проходить набагато швидше, ніж змінення миттєвих значень напруги. Тому робота РЛ при змінному струмі може супроводжуватися значною пульсацією світлового потоку. Кількісно цю пульсацію характеризують коефіцієнтом пульсації
де Фmin, і Фmax - відповідно мінімальне і максимальне значення
світлового потоку, який випромінюється розрядом.
Як відомо з курсу електротехніки, миттєва потужність в електричних колах змінного струму змінюється з подвійною частотою напруги (2f). Тому і випромінювання позитивного стовпа розряду також пульсує з подвійною частотою.
Пульсація світлового потоку викликає у людини зорову втому і може призвести до появи стробоскопічного ефекту, який полягає в тому, що людині здається ніби змінюються швидкості руху предметів або здається, що вони взагалі перестають рухатися, коли цей рух є періодичним.
Використання активного баластного опору для стабілізації розряду при змінному струмі недоцільне, оскільки її у цьому випадку можна здійснити і за допомогою індуктивних та ємнісних елементів.
При проходженні розрядного струму по активному баласту виникають значні втрати потужності, які досягають 50 % і більше і дорівнюють RqI , де I - дійове значення струму. Тому активний баластний опір використовується майже виключно для забезпечення роботи ламп тліючого розряду, для яких питання економічності великого значення не мають.
Іншою негативною особливістю стабілізації розряду за допомогою активного опору є поява відносно великих проміжків часу tn (пауз), коли струм у електричному колі відсутній. Тому пульсації випромінювання збільшуються, підсилюючи стробоскопічний ефект. Виникнення цих пауз струму пояснюється тим, що змінна напруга на елементах з активним опором та струм у них збігаються
за фазою. Проте поряд з цим слід зазначити, що коли струм не є синусоїдальним, тобто змінюється не за законом синуса, то говорити про зсув фаз напруги і струму можна лише умовно. Осцилограми струму і та напруги на розрядному проміжку ид при дуговому розряді, активному баластному опорі та синусоїдальній зміні напруги джерела живлення иж показані на рис. 3.13,а Виникаючі при цьому пульсації випромінювання, показані на рис. 3.13,б.
Рис. 3.13. Осцилограми синусоїдальної напруги живлення иж, напруги на розрядному проміжку и, струму розряду і (а) і світлового потоку Ф (б) при роботі РЛ з активним баластом
Під час паузи струму иж=ид, оскільки падіння напруги на баластному опорі відсутнє. Коли напруга живлення иж досягає значення напруги запалювання Uз, починається дуговий розряд і напруга на розрядному проміжку та струм в електричному колі змінюються відповідно до ВАХ розряду. Для дугового розряду при збільшенні струму напруга на розрядному проміжку зменшується, причому спочатку досить різко, а дедалі повільніше. Коли при зменшенні напруги джерела живлення напруга на розрядному проміжку зменшується до значення напруги гасіння розряду Uгc, то розряд гасне і настає пауза струму. Після того, як напруга джерела живлення, змінивши знак, знову досягне значення Uз, дуговий розряд виникне знову і так далі.
Під час паузи струму після кожного гасіння розряду відбувається охолодження електродів, а також деіонізація газу в розрядному проміжку. Тому для перезапалення розряду при наявності пауз струму потрібні більші значення напруги, ніж при відсутності таких пауз. Називаються ці збільшені значення напруги піками перезапалювання. Вони тим більші, чим довші паузи струму і чим вища теплопровідність газу. При охолодженні катода зростає різниця потенціалів поблизу нього (UK), оскільки зменшується термоелектронна емісія з його поверхні. У результаті підсилюється бомбардування катода позитивними іонами газу, яке збільшує розпилення електродів, скорочуючи таким чином строк служби лампи. Зменшити паузи струму можна збільшенням напруги джерела живлення, але водночас збільшаться і втрати енергії в активному баластному опорі.
Однією з основних переваг стабілізації розряду при змінному струмі за допомогою індуктивних елементів (індуктивних баластів) є менші, ніж при активних баластах втрати потужності. Вони в цьому випадку, як правило, не перебільшують 10 - 15 % потужності, яку споживає лампа. Крім того, завдяки тому, що струм в індуктивному елементі відстає за фазою від напруги на ньому, паузи струму є незначними. Розряд, ледве встигнувши згаснути, запалюється знову, оскільки у момент проходження струму через нульове значення напруга на розрядному проміжку не набагато відрізняється від амплітудного значення напруги джерела живлення. Осцилограми струму і і напруги на розрядному проміжку ид при дуговому розряді і синусоїдальній напрузі джерела живлення иж та використанні для стабілізації розряду індуктивного елемента показані на рис. 3.14,а. Виникаючі при цьому пульсації світлового потоку показані на рис. 3.14,б.
Недоліками стабілізації розряду за допомогою індуктивних баластів є невисокі значення коефіцієнта потужності (cos φ) електричного кола (0,45-0,6) та відносно великі розміри і маса індуктивних баластів. Для підвищення значень коефіцієнта потужності електричного кола аж до значень, близьких до одиниці, застосовують конденсатори.
Стабілізація розряду за допомогою лише ємнісного елемента при промисловій частоті майже не застосовується, бо при її використанні крива струму має значні паузи і піки. Часто з цією метою застосовують послідовне вмикання ємнісного елемента з індуктивним.
Для надійної стабілізації розряду і уникнення пауз струму найчастіше необхідно, щоб при промисловій частоті напруга на розрядному проміжку була не більшою 65 % від напруги джерела живлення. Це означає, що при напрузі електричної мережі 127 В, вона на РЛ має бути не вищою за 80 В, а при напрузі мережі 220 В - не вищою за 140 В.
Рис. 3.14.Осцилограми синусоїдальної напруги живлення Uж, напруги на розрядному проміжку ид, струму і (а) та світлового потоку Ф (б) при роботі РЛ з індуктивним баластом
Але через те, що криві струму розряду і напруги на розрядному проміжку та на баласті мають несинусоїдальну форму, то для розрахунку і аналізу електричних кіл, які містять такі проміжки, добре розроблені методи розрахунку кіл синусоїдального струму становляться непридатними. Найбільше відрізняється від синусоїдальної форма напруги на розрядному проміжку. Криві ж струму і напруги на розрядному проміжку навіть не є подібними. Тому поняття про зсув фаз у цьому випадку взагалі втрачає сенс. Проте на практиці несинусоїдальні напруги і струми часто замінюють на еквівалентні синусоїдальні, які мають такі ж дійові значення U i I, та успішно користуються векторними діаграмами і поняттями теорії електричних кіл синусоїдального струму.
При заміні несинусоїдальних кривих напруги і струму еквівалентними синусоїдальними їхні вектори зсувають один відносно одного у просторі на такий кут φ, щоб активна потужність, обчислена за формулою P=UI cos φ, дорівнювала б активній потужності
даного електричного кола несинусоїдального струму. За аналогією коефіцієнт cos φ також називають коефіцієнтом потужності.
Коефіцієнт потужності дугового розряду у РЛ при роботі з вірно підібраним індуктивним баластом cos φ = 0,85-0,95.
Як відомо з курсу електротехніки. дійові значення несинусоїдальних напруг і струмів визначаються відповідно за формулами:
де U0 і І0 - постійні складові напруги і струму; U1, U2 , U3 і I1 , І2 , Із - дійові значення гармонічних складових несинусоїдальних напруг і струмів (криві. які симетричні відносно осі абсцис. не мають постійної складової та вищих гармонік парного порядку).
Дійові значення напруг і струмів не залежать від значень початкових фаз окремих гармонік.
Оцінюють несинусоїдальність кривих напруги і струму коефіцієнтом викривлення кв, який відповідно дорівнює відношенню дійового значення основної (першої) гармоніки напруги або струму до дійового значення напруги або струму. Чим більша частота напруги живлення. тим менше форма кривих на розрядному проміжку відрізняється від синусоїдальної.
Електрична схема вмикання РЛ для роботи з індуктивним баластом (дроселем) і відповідна їй векторна діаграма показані на рис. 3.15.
Через те. що індуктивність дроселя Др електричного кола для вмикання РЛ повинна бути досить великою. еквівалентний синусоїдальний струм в ньому значно відстає за фазою від синусоїдальної напруги між виводами. тобто від напруги мережі живлення. Від еквівалентної синусоїдальної напруги на РЛ. що світиться. цей струм відстає за фазою на кут всього 8-12о.
Напруга на дроселі Др на векторній діаграмі (рис. 3.15.б), як і далі на рис. 3.16.6 і 3.17.6 позначена як UДр, напруга на РЛ і струм у ній як Ua і Іл. В ідеальному випадку. тобто коли приймається. що активний опір дроселя дорівнює нулю, вектор струму Іл буде перпендикулярним до вектора напруги UДр.
Тут доречно пригадати, що коефіцієнт потужності cos φ електричного кола синусоїдального струму визначає частку активної потужності цього кола Рк в його повній потужності Sк, через що він і одержав таку назву,
Рис. 3.15. Електрична схема вмикання РЛ для роботи з дроселем (а) і відповідна їй векторна діаграма (б)
де Rn - опір проводів лінії електропередачі. Тому для зменшення струму та втрат енергії в проводах лінії електропередачі (електромережі) коефіцієнт потужності електричного кола і повинен якомога менше відрізнятися від одиниці. Як зазначено вище, збільшити його при індуктивному характері електричного кола можна підключенням до виводів електричного кола конденсатора Ск, як це показано на рис. 3.16,а. В цьому випадку такий конденсатор називають компенсуючим.
Рис. 3.16. Електрична схема вмикання РЛ для роботи з дроселем та компенсуючим конденсатором (а) і відповідна їй векторна діаграма (б)
Зрозуміло, що на струм у гілці з РЛ в контурі в лампою Іл конденсатор, який підключено паралельно, не впливає, але його ємнісний струм IC знаходиться в протифазі з індуктивною складовою струму Іл. Отже, струм у лінії електропередачі зменшується, а коефіцієнт потужності електричного кола зростає. При повній взаємній компенсації ємнісного струму конденсатора та індуктивної складової струму в гілці цього кола з РЛ cos φ=1. Проте через несинусоїдальну форму струму в гілці цього кола з РЛ збільшити коефіцієнт потужності кола до одиниці немає можливості, оскільки індуктивні частки вищих гармонічних складових струму РЛ залишаються нескомпенсованими. Тому зазвичай коефіцієнт потужності даного електричного кола в кращому випадку складає 0,92-0,96.
Схема і векторна діаграма електричного кола, в якому розряд в РЛ стабілізується індуктивно-ємнісним баластом, показані на рис. 3.17. Еквівалентний синусоїдальний струм цього кола, навпаки, випереджає напругу між його виводами, бо ємнісний опір такого кола xC повинен бути більшим за індуктивний xL і напруга на баластному конденсаторі UC>UДр. Тому для підвищення коефіцієнта потужності цього кола замість компенсуючого конденсатора повинен бути підключений індуктивний елемент.
Рис. 3.17. Електрична схема вмикання РЛ для роботи з індуктивно-ємнісним баластом (а) і відповідна їй векторна діаграма (б)
Проте з економічної точки зору для збільшення коефіцієнта потужності світлотехнічних пристроїв при живленні їх від джерела змінного струму доцільнішим є використання у цих пристроях паралельної роботи двох РЛ, одна з яких увімкнена послідовно з індуктивним баластом, а інша - з індуктивно-ємнісним (рис. 3.18).
Дуже важливим також є те, що при використанні такого вмикання двох РЛ значно зменшуються і пульсації світлового потоку. Пояснюється це тим, що переходи кривих струмів ламп через нульове значення при використанні такого вмикання зсунуті відносно один одного у часі. Тому пульсація світлового потоку, який утворюється двома цими лампами, виявляється меншою, ніж потоку, що утворюється кожною лампою зокрема. Так, коли на векторній діаграмі вектори струмів ламп І і І утворюють з вектором напруги иж кути 45 - 65°, то коефіцієнт пульсації загального світлового потоку ламп зменшується приблизно в 2,5 рази. Подібні електричні схеми вмикання РЛ одержали назву схем з розщеплюваною фазою. Їх також називають антистробоскопічними схемами.
Рис. 3.18. Дволампова електрична схема з розщеплюваною фазою
Через наявність у струмі РЛ вищих гармонічних складових і при використанні схем з розщеплюванню фазою cos φ<1, проте він у цьому випадку може бути досить високим (0,95 - 0,98).
В останній час все частіше стабілізація розряду в РЛ здійснюється за допомогою напівпровідникових приладів (напівпровідникових баластів). Такі баласти дозволяють значно скоротити втрати потужності при перетворенні електричної енергії в світлову.