A
ukasz STARZAK, Sławomir BEK
Politechnika A
ódzka, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
Modelowanie kompaktowych lamp fluorescencyjnych do badań
ich oddziaływania na sieć zasilającą
Streszczenie. W artykule wykazano konieczność stosowania właściwych modeli lamp fluorescencyjnych już na etapie projektowania,
współpracującego z lampą, statecznika elektronicznego. Model rezystancyjny o wykładniczej zależności od pobieranej mocy w wystarczająco
dokładny sposób odzwierciedla nie tylko zależności napięciowo-prądowe układu, ale również pozwala określić wartość wskaz
ników energetycznych
charakteryzujących współpracę układu z siecią zasilającą.
Abstract. In the paper, the need for using proper fluorescent lamp models yet at the stage of electronic ballast design has been proved. The
resistance model with exponential dependence on the lamp power accurately enough represents not only the voltage-current relationships in the
circuit but also enables to determine the values of parameters characterizing the circuit s influence on the mains. (Modelling of compact
fluorescent lamps for investigation of their influence on the mains).
Słowa kluczowe: model lampy fluorescencyjnej, symulacja, statecznik elektroniczny, operacja ściemniania.
Keywords: fluorescent lamp model, simulation, electronic ballast, dimming.
Wstęp wartości rezystancji, uzależnionej od mocy lub prądu, a
O wyborze układu zasilania lampy fluorescencyjnej zatem wielkości związanych z aktualnym stanem pracy
decyduje wiele czynników, wśród których niebagatelne lampy [3].
znaczenie ma oddziaływanie na sieć zasilającą i poziom
emitowanych zaburzeń elektromagnetycznych. Przy czym Układ testowy
oddziaływanie na sieć zasilającą można ocenić na Pomiary i symulacje (PSpice) wykonano dla układu
podstawie znajomości poszczególnych harmonicznych przedstawionego na rysunku 1. Wyprostowane i
prądu zasilania i na podstawie syntetycznego wskaz
nika  wygładzone napięcie zasila samowzbudny falownik w
współczynnika mocy, którego wartość powinna być duża, układzie półmostkowym. Obciążeniem jest lampa
zbliżona do jedności [1]. fluorescencyjna o mocy znamionowej PLn = 11 W. Operacja
Lampy fluorescencyjne mają potencjalnie dłuższy czas ściemniania realizowana jest poprzez zmianę wartości
życia niż lampy żarowe. Warunkiem jest jednak, aby prąd skutecznej napięcia zasilania. Dla celów analizy
lampy posiadał kształt możliwie zbliżony do sinusoidy. komputerowej lampę zastąpiono rezystancją, której wartość
Producenci szacują, że współczynnik kształtu nie powinien jest uzależniona od mocy lampy PL, co jest postępowaniem
przekraczać wartości 1,7 aby nie spowodować znaczącego standardowym dla układów stateczników pracujących z
skrócenia czasu życia lampy [2]. częstotliwością powyżej (10 20) kHz [4]. Do momentu
Ograniczenia energetyczno-ekonomiczne skłaniają do zapłonu lampa przedstawiona jest jako rezystancja o stałej
poszukiwania nowych koncepcji układów zasilania, co wartości 10 k&!.
wymaga (przed wykonaniem układów fizycznych do badań) Po załączeniu zasilania układu narasta napięcie na
przeprowadzenia szeregu symulacji. Niezbędne jest zatem kondensatorze C4 i po osiągnięciu wartości napięcia
posiadanie dobrych i sprawdzonych statycznych i zapłonu napięcie i prąd lampy ustalają się na poziomie
dynamicznych modeli lamp fluorescencyjnych. wynikającym z napięcia zasilania, częstotliwości pracy
układu oraz parametrów obwodu
rezonansowego: L, C2, C3, C4, RL (rys. 2).
Dla stanu pracy po zapłonie lampy dokonano
pomiarów w układzie (rys. 3). Wyniki pomiarów i
obliczeń przedstawiono na rysunku 4.
Rezystancja zastępcza lampy RL (obliczona jako
stosunek wartości skutecznej napięcia na lampie
do wartości skutecznej prądu płynącego przez
lampę)  zgodnie z przewidywaniem  maleje ze
wzrostem mocy wydzielanej w lampie i można ją
opisać krzywą wykładniczą lub kombinacją
krzywych wykładniczych. Na rysunku 4 pokazano
również zmianę współczynnika szczytu (kc) prądu
lampy. W całym zakresie zmian mocy jego
wartość jest mniejsza od zalecanej maksymalnej
wartości 1,7.
Rys.1. Statecznik elektroniczny w układzie zasilania lampy
Dla celów modelowania układu, charakterystykę
fluorescencyjnej
rezystancji zastępczej lampy opisano zależnością
wykładniczą jak niżej.
W artykule rozważa się współpracę lampy
fluorescencyjnej ze statecznikiem elektronicznym bez
(1) RL = c1 + c2 �" exp(- c3 �" PL ).
korekcji współczynnika mocy, przy czym zadaniem
analizowanego układu jest realizacja funkcji ściemniania, a
Parametry równania (1) dla badanej lampy wyznaczono
zatem pracy przy różnych poziomach mocy wyjściowej.
numerycznie i otrzymano następujące wartości:
Dla takiego rodzaju pracy wybiera się zazwyczaj modele
c1 = 0,538 k&!, c2 = 21,0 k&!, c3 = 0,371 W-1.
lampy fluorescencyjnej w postaci rezystora o zmiennej
106 PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007
Uzyskane wyniki świadczą o tym, że przyjęty model
statyczny dobrze odzwierciedla rzeczywiste warunki pracy i
nie byłyby do przewidzenia, gdyby jako model lampy
zastosować rezystancję o niezmiennej wartości. Po-
twierdzają to charakterystyki przedstawione na rysunku 5.
Tabela 1. Oddziaływanie układu statecznika na sieć (I1m, I3m 
amplituda 1. i 3. harmonicznej prądu pobieranego z sieci)  pomiar
PL / PLn  dhi I3m / I1m
100% 0,50 182% 95,3%
75% 0,52 163% 94,7%
62% 0,54 154% 93,8%
27% 0,60 157% 92,7%
0,70
Rys. 2. Napięcie na lampie oraz prąd lampy przed zapłonem i po
zapłonie (symulacja); do chwili zapłonu prąd lampy jest prądem 0,65
podgrzewania
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00
P [W]
L
Lampa (pomiar) Model zmienno - Model stało-
rezystancyjny rezystancyjny
(symulacja) (symulacja)
Rys. 5. Współczynnik mocy układu wyznaczony z pomiarów oraz
uzyskany metodą symulacji przy wykorzystaniu stało- i
zmiennorezystancyjnego modelu lampy
Wnioski
Rys. 3. Napięcie na lampie (A) oraz prąd lampy (4) po zapłonie;
Wyniki badań pokazują konieczność stosowania właści-
lampa fluorescencyjna o mocy 11 W (pomiar)
wych modeli lampy fluorescencyjnej na etapie projekto-
10 2
wania stateczników elektronicznych, a w szczególności w
celu predykcji oddziaływania konstruowanego urządzenia
8 1,8
na sieć zasilającą. Model lampy w postaci rezystancji, której
wartość uzależniona jest wykładniczo od aktualnej mocy
6 1,6 lampy, pozwala z zadowalającą dokładnością
zaprojektować statecznik elektroniczny. Jednocześnie
4 1,4 przyjęty model umożliwia jakościową ocenę współczynnika
kształtu prądu zasilającego lampę, co stanowi wytyczną do
oceny czasu jej bezawaryjnej pracy.
2 1,2
Autorzy pragną podziękować p. Pawłowi Zielińskiemu za
0 1
2 4 6 8 10 12 14
wkład w konstrukcję układu badawczego.
P L [W]
LITERATURA
Rezystancja Rezystancja Współczynnik
[1] S t a r z a k A
., B e k S., O l s z e w s k i A., Poprawa parametrów
zastępcza (po - zastępcza (a - szczytu k
c
miar) proksymacja)
energetycznych układów zasilania lamp fluorescencyjnych,
Zeszyty Naukowe Politechniki A
ódzkiej, 103 (2005), nr 962,
Rys. 4. Rezystancja zastępcza lampy RL i współczynnik szczytu kc
129 138
prądu lampy dla różnych wartości mocy lampy PL
[2] S u n M., H e s t e r m a n B.L., PSpice high-frequency dynamic
fluorescent lamp model, IEEE Transactions on Power
Zbadano działanie układu dla przypadku zmniejszania
Electronics, 13 (1998), nr 2, 261 272
wartości pobieranej mocy (operacja ściemniania) poprzez
[3] Moo C., Hsi eh Y., Yen H., Lee C., Fluorescent lamp model
zmianę wartości skutecznej napięcia zasilania. Wybrane with power and temperature dependence for high-frequency
electronic ballasts, IEEE Transactions on Industry Applications,
wyniki przedstawiono w tabeli 1. Początkowo lampa
39 (2003), nr 1, 121 127
pracowała w warunkach znamionowych. Następnie
[4] Oni shi N., Shi omi T., Okuda A., Yamauchi T.,
obniżono moc do poziomu 75%, 62% i 27% mocy
A fluorescent lamp model for high frequency wide range
znamionowej. Obniżenie mocy powoduje zauważalny
dimming electronic ballast simulation, IEEE APEC  99, Dallas,
wzrost współczynnika mocy  i zmniejszenie odkształcenia
1999, 1001 1004
przebiegu prądu zasilania (współczynnik zniekształceń
harmonicznych dhi wyznaczany jako stosunek wypadkowej
Autorzy: dr inż. Sławomir Bek, mgr inż. A
ukasz Starzak,
wartości skutecznej harmonicznych prądu do wartości
Politechnika A
ódzka, Katedra Mikroelektroniki i Technik
skutecznej składowej podstawowej prądu). Informatycznych, al. Politechniki 11, bud. C3, 93-590 A
ódz
, E-mail:
[e-mail].
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007 107

c
L
k
R
[k&!]