Введение
Устройство для ограничения тока в лампах. Электрический балласт – это устройство, включаемое последовательно с нагрузкой для ограничения силы тока в электрической цепи. Хорошо известный и широко используемый пример – индуктивный балласт, применяемый в люминесцентных лампах для ограничения тока, протекающего через лампу, который в противном случае достиг бы разрушительного уровня из-за отрицательного дифференциального сопротивления вольт-амперной характеристики лампы. Балласты значительно различаются по сложности. Они могут быть такими простыми, как резистор, индуктор или конденсатор (либо их комбинация), соединенные последовательно с лампой, или такими сложными, как электронные балласты, используемые в компактных люминесцентных лампах (КЛЛ).
An electrical ballast is a device placed in series with a load to limit the amount of current in an electrical circuit. A familiar and widely used example is the inductive ballast used in fluorescent lamps to limit the current through the tube, which would otherwise rise to a destructive level due to the negative differential resistance of the tube's voltage current characteristic. Ballasts vary greatly in complexity. They may be as simple as a resistor, inductor, or capacitor (or a combination of these) wired in series with the lamp; or as complex as the electronic ballasts used in compact fluorescent lamps (CFLs).
Ограничение тока
Электробалласт – это устройство, ограничивающее ток, протекающий через электрическую нагрузку. Они наиболее часто используются в тех случаях, когда напряжение на нагрузке (например, дуговом разряде) уменьшается при увеличении тока, протекающего через неё. Если бы такое устройство было подключено к источнику питания с постоянным напряжением, оно потребляло бы всё возрастающий ток, пока не вышло бы из строя или не привело к отказу источника питания. Чтобы предотвратить это, балласт обеспечивает положительное сопротивление или реактивное сопротивление, ограничивающее ток. Балласт обеспечивает нормальную работу устройства с отрицательным сопротивлением, ограничивая ток. Балласты также могут использоваться просто для ограничения тока в обычной схеме с положительным сопротивлением. До появления твердотельной системы зажигания, автомобильные системы зажигания обычно включали балластный резистор для регулирования напряжения, подаваемого на систему зажигания.
Фиксированные резисторы
Для простых, маломощных нагрузок, таких как неоновая лампа, обычно используется фиксированный резистор. Поскольку сопротивление балластного резистора велико, он определяет ток в цепи, даже при наличии отрицательного сопротивления, создаваемого неоновой лампой. Балласт также использовался в ранних моделях автомобильных двигателей для снижения напряжения питания системы зажигания после запуска двигателя. Запуск двигателя требует значительного тока от аккумулятора, что приводит к соответствующему падению напряжения. Чтобы обеспечить запуск двигателя, система зажигания была рассчитана на работу при этом пониженном напряжении. Однако, после запуска двигателя и отключения стартера, нормальное рабочее напряжение оказывалось слишком высоким для системы зажигания. Чтобы избежать этой проблемы, балластный резистор включался последовательно с системой зажигания, обеспечивая два разных рабочих напряжения для запуска и работы двигателя. Иногда этот балластный резистор выходил из строя, и типичным симптомом было то, что двигатель работал во время прокрутки стартером (когда резистор был исключен из цепи), но глох сразу после прекращения прокрутки (когда резистор снова включался в цепь через замок зажигания). Современные электронные системы зажигания (используемые с 1980-х или конца 1970-х годов) не требуют балластного резистора, поскольку они достаточно универсальны для работы как при пониженном напряжении при запуске, так и при нормальном рабочем напряжении. Другим распространенным применением балластного резистора в автомобильной промышленности является регулировка скорости вентилятора обдува. Балласт представляет собой фиксированный резистор, обычно с двумя центральными отводами, а переключатель выбора скорости вентилятора используется для исключения части резистора из цепи: всей – для максимальной скорости и ни одной – для минимальной. Часто возникает поломка, когда вентилятор постоянно работает на предпоследней скорости (обычно 3 из 4). Это приводит к работе короткого участка спирали резистора с относительно высоким током (до 10 А), что в конечном итоге приводит к его перегоранию. В результате вентилятор становится неработоспособным на пониженных скоростях. В некоторых потребительских электронных устройствах, особенно в телевизорах эпохи электронно-лучевых трубок, а также в некоторых недорогих проигрывателях, нагреватели электронно-лучевых трубок подключались последовательно. Поскольку падение напряжения на всех последовательно соединенных нагревателях обычно было меньше, чем полное сетевое напряжение, требовался балласт для снижения избыточного напряжения. Для этой цели часто использовался резистор, поскольку он был дешев и работал как с переменным (AC), так и с постоянным (DC) током.
Резисторы с самоизменным сопротивлением
Некоторые балластные резисторы обладают свойством увеличивать сопротивление при увеличении тока, протекающего через них, и уменьшать сопротивление при уменьшении тока. Физически, некоторые из таких устройств часто изготавливаются подобно лампам накаливания. Подобно вольфрамовой нити обычной лампы накаливания, при увеличении тока балластный резистор нагревается, его сопротивление возрастает, а падение напряжения увеличивается. При уменьшении тока балластный резистор остывает, его сопротивление падает, и падение напряжения уменьшается. Таким образом, балластный резистор сглаживает колебания тока, несмотря на изменения приложенного напряжения или изменения в остальной электрической цепи. Эти устройства иногда называют "барретерами" и использовались в последовательных цепях нагрева радио- и телевизионных домашних приемников переменного/постоянного тока с 1930-х по 1960-е годы. Это свойство позволяет более точно контролировать ток, чем просто выбор подходящего фиксированного резистора. Потери мощности в балластном резисторе также снижаются, поскольку меньшая часть общей мощности рассеивается на балласте по сравнению с тем, что потребовалось бы при использовании фиксированного резистора. Ранее в бытовых сушилках для одежды иногда использовалась бактерицидная лампа, включенная последовательно с обычной лампой накаливания; лампа накаливания выступала в роли балласта для бактерицидной лампы. Распространенным светильником в домах в 1960-х годах в странах с напряжением 220–240 В была круглая лампа, балластированная обычной сетевой лампой накаливания, работающей на пониженном напряжении. Самобалластные ртутные лампы содержат обычные вольфрамовые нити внутри общего корпуса лампы, которые служат балластом и дополняют недостающую красную область светового спектра.
Реактивные балласты
[[Файл:Флуоресцентная световая полоса 2 трубки. JPG|thumb|upright=1.3|Флуоресцентная лампа, устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе увеличение тока через флуоресцентную трубку вызывает падение напряжения на ней. Если бы трубка была подключена непосредственно к сети, падение напряжения привело бы к возрастанию тока до тех пор, пока она не вышла бы из строя. Чтобы этого избежать, флуоресцентные лампы подключаются к сети через балласт. Балласт добавляет положительный импеданс (резистивность переменного тока) в цепь, чтобы компенсировать отрицательное сопротивление трубки и ограничить ток. Электронные балласты часто основаны на топологии импульсного источника питания (SMPS), который сначала выпрямляет входную мощность, а затем преобразует ее в импульсы на высокой частоте. Усовершенствованные электронные балласты могут обеспечивать диммирование посредством широтно-импульсной модуляции или путем повышения частоты. Балласты, включающие микроконтроллер (цифровые балласты), могут предлагать удаленное управление и мониторинг через сети, такие как LonWorks, Digital Addressable Lighting Interface (DALI), DMX512, Digital Serial Interface (DSI) или простое аналоговое управление с использованием сигнала управления яркостью 0–10 В постоянного тока. Внедрены системы с удаленным управлением уровнем освещенности через беспроводную mesh-сеть. Электронные балласты обычно питают лампу частотой 20 000 Гц или выше, а не частотой сети 50–60 Гц; это существенно устраняет стробоскопический эффект мерцания, являющийся следствием частоты сети, характерного для флуоресцентного освещения (см. фоточувствительную эпилепсию). Высокая выходная частота электронного балласта обновляет люминофор в флуоресцентной лампе настолько быстро, что мерцание не воспринимается. Индекс мерцания, используемый для измерения модуляции воспринимаемого света, имеет диапазон от 0,00 до 1,00, где 0 указывает на минимальную вероятность мерцания, а 1 – на максимальную. Лампы, работающие на магнитных балластах, имеют индекс мерцания от 0,04 до 0,07, в то время как цифровые балласты – ниже 0,01. Поскольку в дуговом разряде остается больше ионизированного газа, лампа работает с эффективностью примерно на 9% выше при частоте около 10 кГц. Эффективность лампы резко возрастает при частоте около 10 кГц и продолжает улучшаться до примерно 20 кГц. В некоторых канадских провинциях около 2012 года были протестированы модернизации существующих уличных светильников с использованием электронных балластов; с тех пор более распространенными стали модернизации с использованием светодиодов. Благодаря более высокой эффективности самого балласта и более высокой эффективности лампы при более высокой частоте, электронные балласты обеспечивают более высокую общую эффективность для ламп низкого давления, таких как флуоресцентные лампы. Для ламп HID повышение частоты не улучшает эффективность лампы. Более того, лампы HID, такие как металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления, имеют пониженную надежность при работе на высоких частотах в диапазоне 20–200 кГц из-за акустического резонанса; для этих ламп обычно используется низкочастотный ток с прямоугольной формой волны с частотой в диапазоне 100–400 Гц, что дает то же преимущество в виде меньшей световой деградации. Большинство электронных балластов нового поколения могут работать как с натриевыми лампами высокого давления (HPS), так и с металлогалогенными лампами. Балласт сначала выполняет функцию стартера дуги с помощью встроенного зажигателя, подавая импульс высокого напряжения, а затем работает как ограничитель/регулятор электрического тока в цепи. Электронные балласты также работают намного прохладнее и легче, чем их магнитные аналоги. При проектировании освещения необходимо учитывать коэффициент балласта; низкий коэффициент балласта может сэкономить энергию, но приведет к снижению светового потока и сокращению срока службы лампы. Для флуоресцентных ламп коэффициент балласта может отличаться от эталонного значения 1,0.
Триод балласта
Ранние цветные телевизоры на ламповой базе использовали балластный триод, например PD500, как параллельный шунтирующий стабилизатор напряжения ускорения электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для поддержания постоянного фактора отклонения ЭЛТ.