43

5/2002

www.elektro.info.pl

elektroniczne

stateczniki

w oœwietleniu

Czêsto staramy siê oszczêdzaæ

energiê elektryczn¹, drastycznie

ograniczaj¹c oœwietlenie

w naszym otoczeniu. Robimy tak,

nie myœl¹c o tym, ¿e do

w³aœciwego funkcjonowania

po zmroku jest nam niezbêdna

odpowiednia iloœæ œwiat³a.

Dobrze wiemy, i¿ zbyt ma³a

wartoœæ natê¿enia oœwietlenia

mo¿e powodowaæ zmêczenie i z ³ e

samopoczucie, ale czasami

o tym zapominamy.

¿arówki, co jest wa¿ne, ponie-
wa¿ nie wszystkie oprawy s¹
przystosowane do pracy w pod-
wy¿szonej temperaturze. W ce-
lu zmniejszenia iloœci ciep³a
wydobywaj¹cego siê z ¿arów-
ki, mo¿emy zastosowaæ reflek-
tory, które odprowadz¹ niepot-
rzebne ciep³o na zewn¹trz.

Najlepszym pod wzglêdem

ekonomicznym, rozwi¹zaniem
dla wszystkich, którzy chc¹
zaoszczêdziæ na energii elek-

trycznej, jest u¿ywanie œwiet-
lówek.

Dotyczy to zarówno trady-

cyjnych œwietlówek liniowych,
jak i nowych œwietlówek kom-
paktowych. Cech¹ charakte-
rystyczn¹ tych lamp jest niskie
zu¿ycie energii oraz bardzo
d³ugi okres trwa³oœci. Nieste-
ty, ich mankamentem jest ci¹g-
le wysoka cena oraz wielko œ æ
i kszta³t, co wi¹¿e siê z dzia-
³aniem œwietlówki w oparciu
o zjawisko fluorescencji. Dlate-

N

ajlepszym sposobem
oszczêdzania jest ce-
lowe i zaplanowane

dobranie Ÿróde³ œwiat³a, op-
raw oœwietleniowych oraz roz-
mieszczenie opraw w sposób,
który pozwala³by na spe³nia-
nie wymagañ oœwietlenio-
wych. Prawie wszyscy jesteœ-
my przyzwyczajeni do oœwiet-
lenia, które jest dostarczane
przez klasyczne ¿arówki, cho-
cia¿ prawie ka¿dy uwa¿a za
idea³ œwiat³o s³oneczne.
Wbrew pozorom, stosuj¹c ¿a-
rówki klasyczne, mo¿emy
równie¿ oszczêdzaæ energiê
elektryczn¹. Nale¿y jednak pa-
miêtaæ, ¿e du¿¹ rolê odgrywa
tu odpowiednia oprawa oœ-
wietleniowa, w zale¿noœci od
której mo¿emy uzyskaæ nawet
do 200% wiêcej œwiat³a za tê
sam¹ cenê.

Innym sposobem oszczê-

dzania energii elektrycznej mo-
¿e byæ u¿ycie ¿arówek haloge-
nowych, które wytwarzaj¹ na-
wet dwukrotnie wiêcej œwiat³a
i s¹ trwalsze. Decyduj¹c siê na
¿arówki halogenowe, nale¿y
pamiêtaæ o tym, ¿e maj¹ one
znacznie wy¿sz¹ temperaturê
bañki i trzonka ni¿ tradycyjne

go te¿ w œwietlówkach kom-
paktowych rura jest mo¿liwie
najbardziej zwiniêta i z tego
te¿ powodu nie mo¿na ich sto-
sowaæ do wszystkich opraw.
Jednym ze sposobów zmniej-
szenia gabarytów jest stosowa-
nie elektronicznych uk³adów
zasilaj¹cych, zastêpuj¹cych
klasyczny statecznik indukcyj-
ny i zap³onnik tl¹cy. Statecznik
elektroniczny w znaczny spo-
sób poprawia zap³on lamp flu-
orescencyjnych, niweluj¹c zja-
wisko migotania oraz zwiêksza
oszczêdnoœæ energii elektrycz-
nej. Stateczniki elektroniczne
s¹ powszechnie stosowane
w œwietlówkach kompakto-
wych, których trwa³oœæ prze-
wy¿sza nawet piêtnastokrotnie
trwa³oœæ tradycyjnych ¿aró-
wek, a oszczêdnoœci energii
siêgaj¹ nawet 80%. Stateczni-
ki elektroniczne do opraw oœ-
wietleniowych dla œwietlówek
rurowych montowane s¹ w od-
dzielnych obudowach i umiesz-
czane w oprawach. Najczêœ-
ciej s¹ one montowane z do-
datkowymi, aktywnymi, elekt-
ronicznymi filtrami harmonicz-
nych. Dziêki zastosowaniu uk-
³adów elektronicznych mo¿na

in¿. Rafa³ Smoliñski

Rys. 1 Schemat tradycyjnego uk³adu zasilania

F

44

www.elektro.info.pl

5/2002

uzyskaæ zap³on bez migania
i bardzo ma³e têtnienie œwiat-
³a, uzyskane dziêki pracy
w wysokiej czêstotliwoœci, a
tak¿e wysoki komfort œwiat³a,
bez brzêczenia – dziêki elekt-
ronicznemu sposobowi pracy
oraz elektroniczny nadzór wy-
³¹czaj¹cy uszkodzon¹ lampê
– do 30% mniejszy pobór mo-
cy w stosunku do tradycyjnych
uk³adów, niskie koszty konser-
wacji w wyniku redukcji czês-
totliwoœci wymiany lamp i wy-
eliminowaniu wymiany zap-
³onników, znikome obci¹¿enie
instalacji klimatyzacyjnej.

Stateczniki elektroniczne s¹

uk³adami przetwornic pracuj¹-
cych w zakresie czêstotliwoœci
do 1000 razy wiêkszej ni¿
czêstotliwoœæ sieci. Podwy¿-
szenie czêstotliwoœci pozwala
na radykalne zmniejszenie
stosowanych podzespo³ów,
a w szczególnoœci d³awika sta-
bilizuj¹cego pr¹d lampy. Do
produkcji d³awików u¿ywa siê
rdzeni ferrytowych, które za-
pewniaj¹ ma³e straty na pr¹-

dy wirowe. W efekcie koñco-
wym uzyskuje siê znaczne
zmniejszenie wymiarów oraz
wagi stateczników elektronicz-
nych, w porównaniu do ich in-
dukcyjnych odpowiedników,
a tak¿e du¿¹ oszczêdnoœæ
materia³ów (stali i miedzi).

œwietlówki

Œwietlówki wytwarzaj¹

œwiat³o dziêki zjawisku fluo-
rescencji. W istocie s¹ one nis-
kociœnieniowymi lampami rtê-
ciowymi. Œwietlówka ma naj-
czêœciej formê rury szklanej
z wolframowymi elektrodami
zatopionymi na obu koñcach.
We wnêtrzu rury znajduje siê
niewielka iloœæ rtêci i gaz szla-
chetny. Wewnêtrzna œcianka
rury pokryta jest warstw¹ lumi-
noforu. Promieniowanie nadfio-
letowe, generowane podczas
wy³adowania zachodz¹cego
pomiêdzy elektrodami w pa-
rach rtêci o niskim ciœnieniu,
pobudza luminofor do œwiece-

nia, który s³u¿y tu do transfor-
macji niewidzialnego promie-
niowania nadfioletowego na
œwiat³o. Dziêki zastosowaniu
do budowy lampy szk³a sodo-
wego, szkodliwe promieniowa-
nie nadfioletowe jest ca³kowi-
cie poch³aniane i nie wydosta-
je siê na zewn¹trz lampy.
Sk³ad chemiczny luminoforu
pozwala w znacznym stopniu
kszta³towaæ rozk³ad widmo-
wy promieniowania œwietlówek
i regulowaæ barwê wytwarza-
nego œwiat³a. Niska luminan-
cja tych Ÿróde³ œwiat³a czyni
je przydatnymi do stosowania
w niskich pomieszczeniach,
które jako wy³adowcze Ÿród³a
œwiat³a wymagaj¹ zasilania
przez specjalne uk³ady stabili-
zacyjno-zap³onowe, klasyczne
– sk³adaj¹ce siê ze stateczni-
ka (d³awika) magnetycznego
i zap³onnika lub nowoczesne –
elektroniczne.

zasilanie lamp

fluorescencyjnych

Rozró¿nia siê kilka rodza-

jów zasilania œwietlówek:

n

tradycyjne (sk³adaj¹ce siê
z d³awika i startera lub
startera elektronicznego),

n

elektroniczne.
Tradycyjne zasilanie œwiet-

lówek sk³ada siê z d³awika
stabilizuj¹cego pr¹d lampy
w stanie ustalonym i startera,
który wraz z d³awikiem w pier-
wszym etapie zasilania lampy
powoduje jej zap³on. Jest to
bardzo prosty do zrealizowania
uk³ad, ale zawiera wiele wad.
Zap³on œwietlówki jest realizo-
wany za pomoc¹ startera
(urz¹dzenia mechanicznego),
co powoduje nieprzyjemny ob-
jaw migania œwiat³a przy roz-
ruchu oraz w znacznej mierze
obni¿a trwa³oœæ œwietlówki.
D³awik wykonany jest na rdze-
niu z blach krzemowych, co po-

woduje straty mocy na pr¹dy
wirowe (ciep³o), wiêc znacznie
obni¿a skutecznoœæ uk³adu.
Uk³ad zasilany jest czêstotli-
woœci¹ 50 Hz, co sprawia, ¿e
œwietlówka wytwarza têtni¹ce
œwiat³o i mo¿e powodowaæ
wystêpowanie efektu strobos-
kopowego – szczególnie przy
oœwietleniu maszyn wiruj¹-
cych. W przypadku uszkodze-
nia œwietlówki lub startera,
œwietlówka rozpala siê i gaœ-
nie, co jest bardzo nieprzyjem-
ne dla przebywaj¹cych w oto-
czeniu osób.

Czêœæ z tych niedogodnoœ-

ci mo¿na zniwelowaæ, stosuj¹c
startery elektroniczne. Przyk-
³ad takiego rozwi¹zania przed-
stawia rys. 2 i 3.

Rozwi¹zanie ma równie¿

zalety, do których nale¿y: zap-
³on œwietlówki bez k³opotli-
wego migotania, wy³¹czanie
przez starter uszkodzonego
Ÿród³a œwiat³a, przed³u¿enie
trwa³oœci startera i œwietlów-
ki. Niestety uk³ady tego typu
nie eliminuj¹ znacznych strat
w d³awiku oraz têtnienia
œwiat³a.

Uk³adami, które rozwi¹zuj¹

te problemy s¹ stateczniki elek-
troniczne, zwiêkszaj¹ce trwa-
³oœæ lamp, zmniejszaj¹ce
straty mocy, poprawiaj¹ce
wspó³czynnik mocy cos

φ oraz

eliminuj¹ce têtnienie œwiat³a
dziêki pracy w podwy¿szonej
czêstotliwoœci. Stateczniki
elektroniczne sk³adaj¹ siê
z kilku bloków o du¿ym zna-
czeniu dla jego prawid³owej
i bezawaryjnej pracy.

W³aœciwy dobór elemen-

tów w poszczególnych blokach
pozwala na osi¹gniêcie z góry
za³o¿onych parametrów wyjœ-
ciowych. W statecznikach elek-
tronicznych z regu³y stosuje
siê przetwornice przeciwsobne,
tranzystorowe i zasilane bez-
poœrednio wyprostowanym na-
piêciem sieciowym. Do uk³a-

Rys. 2 Schemat z wykorzystaniem startera ST MICROELECTRONIC

na uk³adach scalonych

Rys. 3 Schemat z wykorzystaniem startera ST MICROELECTRONIC

45

5/2002

www.elektro.info.pl

dów ma³ej mocy, nie przekra-
czaj¹cych 80 do 100 W, stosu-
je siê pó³mostkowe przetwor-
nice przeciwsobne. W uk³a-
dach wiêkszej mocy s¹ to
przetwornice pe³nomostkowe.
Zasadê konstrukcji statecznika
elektronicznego przedstawia
rys. 5.

opis uk³adu

Na wejœciu uk³adu statecz-

nika znajduje siê filtr przeciw-
zak³óceniowy zbudowany
z elementów D³1, D³2, C1,
C2.

Czêsto w statecznikach

wiêkszej mocy stosowany jest
dodatkowo filtr harmonicznych
pr¹du pobieranego przez sta-
tecznik, który najczêœciej jest
realizowany na uk³adzie scalo-
nym. Odfiltrowane napiêcie
jest prostowane przez diody
D1-D4 pracuj¹ce w uk³adzie
Graetza. Wyprostowane napiê-
cie jest wyg³adzane na kon-
densatorze C3, który dodatko-
wo zapobiega wy³¹czaniu siê
przetwornicy przy chwilowych
zanikach napiêcia zasilania.
Wyprostowane i wyg³adzone
napiêcie zasila uk³ad genera-
tora steruj¹cego stopniem koñ-
cowym, zrealizowanym na klu-
czach tranzystorowych K1 i K2
oraz uk³ad sterowania. Za zap-
³on oraz stabilizacjê pr¹du
œwietlówki w stanie ustalonym
odpowiada szeregowy uk³ad
LC, sk³adaj¹cy siê z d³awika
D³3 i kondensatorów C4 i C5,
przy czym kondensator C4
pe³ni tu ma³¹ rolê. Uk³ad za-
pewnia wstêpne podgrzanie
elektrod lampy jeszcze przed
wyst¹pieniem wy³adowania
w gazie, co eliminuje efekt mi-
gotania wystêpuj¹cy w kla-
sycznych uk³adach d³awik –
zap³onnik. Uk³ad takiej prze-
twornicy osi¹ga sprawnoœæ do
85%, a wspó³czynnik mocy

cos

φ przyjmuje wartoœci do

0,96. Masa takiego uk³adu
jest mniejsza o oko³o 90%
w stosunku do masy stateczni-

Rys. 5 Typowa konstrukcja statecznika elektronicznego

Rys. 6 Statecznik elektroniczny firmy TEMIC

Rys. 7 Statecznik elektroniczny z generatorem na uk³adzie scalonym oraz regulacj¹ strumienia œwietlnego dwóch œwietló-

wek

Rys. 4 Schemat blokowy statecznika elektronicznego

F

ka indukcyjnego (klasycznego)
przy porównywalnej trw a ³ o œ-
ci. Uk³ad sterowania (genera-
tor) realizuje siê na uk³adach

scalonych lub jako generatory
samowzbudne. Wiêksz¹ uwa-
gê nale¿y zwróciæ na tranzys-
tory stopnia koñcowego, które

46

www.elektro.info.pl

5/2002

pe³ni¹ funkcjê kluczy K1 i K2.
Stosuje siê tranzystory impul-
sowe bipolarne lub MOSFET
o napiêciu pracy 400-800 V,
pr¹dzie kolektora (drenu) 2-6
A oraz czêstotliwoœci pracy od
kilkudziesiêciu do kilkuset
kHz. Du¿a czêœæ z u¿ywanych
tranzystorów posiada technolo-
giczne zabezpieczenia wejœcia
i wyjœcia przed przesterowa-
niem i przepiêciami.

wnioski

Powszechne zastosowanie

w gospodarce elektronicznych
stateczników pozwoli³oby na
znaczne oszczêdnoœci energii
elektrycznej oraz wp³ynê³oby
na komfort oœwietlenia. Zasto-
sowanie nowoczesnych uk³a-
dów mog³oby ograniczyæ rów-
nie¿ zu¿ycie drogich materia-
³ ó w, z których wykonywane s¹
tradycyjne d³awiki. Technolo-
gia elektronicznych stateczni-
ków jest bardzo elastyczna
i ³atwa w integrowaniu z ró¿-
nego rodzaju elementami regu-
lacji i sterowania natê¿eniem
oœwietlenia. Uk³ady wykonane
w tej technologii s¹ znacznie
l¿ejsze od tradycyjnych. Roz-
wój tego rodzaju urz¹dzeñ poz-
woli docelowo na uzyskanie
du¿ej miniaturyzacji uk³adów,
zwiêkszenie niezawodnoœci
i trwa³oœci, zmniejszenie zu-
¿ycia energii (zarówno w pro-

cesie produkcyjnym, jak i w ek-
sploatacji stateczników).

Wszystkie wymienione czyn-

niki sprawiaj¹, ¿e jest to tech-
nologia, która mo¿e byæ wy-
korzystywana jako jeden z ele-
mentów w ochronie œrodo-
wiska.

przyk³adowe

rozwi¹zania

Przedstawiam w artykule

przyk³adowe rozwi¹zania elek-
tronicznych stateczników:

Rysunek 6 przedstawia

uk³ad firmy TEMIC na tranzys-
torach bipolarnych ze wzbudni-
kiem indukcyjnym. Start przet-
wornicy realizowany jest za po-
moc¹ diaka D6 oraz uk³adu
wyzwalaj¹cego R1, C3. Rezys-
tory R4 i R5 s³u¿¹ do wyrów-
nania pr¹du p³yn¹cego przez
pracuj¹ce w uk³adzie przeciw-
sobnym tranzystory T1 i T2.

International Rectifier stosu-

je w swoich statecznikach ge-
neratory steruj¹ce zrealizowa-
ne na uk³adach scalonych ty-
pu IR2151 do 55. Przyk³ad
takiego rozwi¹zania przedsta-
wia rysunek 7.

Odfiltrowane napiêcie na

elementach L1, C1, C2 jest
prostowane przez diody D1-D4
pracuj¹ce w uk³adzie Graetza.
Uk³ad generatora w tym sta-
teczniku zosta³ oparty na uk-
³adzie scalonym IR 2155, któ-

ry steruje bezpoœrednio tran-
zystorami mocy. Napiêcie na
uk³ad IR doprowadzone jest
przez rezystor R5, który obni-
¿a napiêcie do oko³o 12 V.
Czêstotliwoœæ pracy generato-
ra jest ustalana na elementach
R1, R2, R3, D5, D6, C4,
a g³ównie przez kondensator
C4 i rezystor R3, który dodat-
kowo pe³ni funkcjê regulatora
czêstotliwoœci. Reguluj¹c
czêstotliwoœæ pracy uk³adu,
zmienia siê strumieñ œwietlny
przy³¹czonych œwietlówek.
Strumieñ œwietlny lampy zmie-
nia siê wraz ze zmian¹ pr¹du
p³yn¹cego przez lampê. Pr¹d
ten g³ównie reguluje d³awik
wyjœciowy, który zmienia swo-
j¹ impedancjê wraz ze zmiana-
mi czêstotliwoœci pracy uk³a-
du. Stopieñ koñcowy jest zrea-
lizowany na trzech tranzysto-
rach IRF 820 zasilanych przez
d³awik L4, który dodatkowo
pe³ni funkcjê separatora dla
wy¿szych czêstotliwoœci. Uk-
³ad zap³onowy i stabilizuj¹cy
pr¹dy lamp jest wykonany na
elementach L2, L3, C6, C9,
C10.

Firma STMicroelectronics

w swoich uk³adach stosuje
uk³ady scalone serii L 65XX
pe³ni¹ce funkcjê generatorów
steruj¹cych. Przyk³ad takiego
rozwi¹zania przedstawia rysu-
nek 8.

Zmieniaj¹c na wejœciu uk-

³adu po³¹czenie do zasilania,
uk³ad mo¿e pracowaæ bêd¹c

zasilany ze 120 V jako pó³-
mostkowy prostownik z powie-
leniem napiêcia lub z 220 V ja-
ko prostownik pe³nomostkowy.

Rezystor R1 ogranicza pr¹d

³adowania kondensatorów.
Uk³ad scalony L6569 jest za-
silany wyprostowanym przez
diody D4-D7 i odfiltrowanym
na kondensatorach C2 i C3 na-
piêciem, przez rezystory R8
i R5, które obni¿aj¹ napiêcie
do oko³o 12 V. Steruje on tran-
zystorami Q1 i Q2, pracuj¹cy-
mi w uk³adzie przeciwsobnym,
z czêstotliwoœci¹ ustalon¹ na
elementach C1 i R4:

Diody impulsowe D2 i D3

utrzymuj¹ stabiln¹ pracê gene-
ratora. Rezystory R2 i R3 pe³-
ni¹ dwie wa¿ne funkcje. Po
pierwsze zabezpieczaj¹ uk³ad
calony w przypadku uszkodze-
nia któregoœ z tranzystorów,
a po drugie opóŸniaj¹ przejœcie
w stan przewodzenia tranzystor
tak, aby oba nie by³y w tym sa-
mym czasie otwarte. Zap³on
lampy oraz stabilizacjê pr¹du
pracy zapewniaj¹ podzespo³y
L1, C6-C8 oraz 150

Ω PTC,

który dodatkowo podwy¿sza
pr¹d podgrzewania elektrod
przez oko³o 0,8 s.

&

literatura

1. STMicroelectronics, Lighting semi-

nar, 2001.

2. Osram, Program produkcji,

2000/2001.

3. M. Ciê¿, K. Dzia³ek, J. Gondek,

M. Korpak, J. Pawe³czyk, W. Za-

raska, I Krajowa konferencja Nau-

kowo-Techniczna 2000, Referat pt.

Hybrydowe stateczniki elektronicz-

ne drog¹ do redukcji poboru mo-

cy i energoch³onnych materia-

³ ó w.

4. Andrzej Wiœniewski, Elektroniczne

uk³ady zasilaj¹ce Ÿród³a œwiat-

³a, Elektroinstalator 11/95.

5. Philips, Stateczniki elektroniczne

wielkiej czêstotliwoœci do œwietló-

wek, Wydanie II, 10/98.

6. Tadeusz Oleszyñski, Miernictwo

techniki œwietlnej, PWN, Warsza-

wa 1957.

fosc

C R

F

F

=

⋅ ⋅

1

13863

,

Rys. 8 Elektroniczny statecznik STMicroelectronics oparty na uk³adzie L6569