|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ статьи № 51-100---->
СХЕМЫ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ статьи №101-150
Электронные балласты
В.Дьяконов, А.Ремнев, В.Смердов
В настоящее время для жилых и офисных помещений широкое применение находят люминесцентные лампы (ЛЛ), обладающие большим сроком службы (8000...10000 ч), в несколько раз превышающим срок службы ламп накаливания (1000 ч). Современные люминесцентные лампы создают световой поток, близкий по характеристикам к естественному свету, и обладают в 4...5 раз большей светоотдачей, чем лампы накаливания. Так, например, люминесцентная 10-ваттная лампа вполне заменяет 40-ваттную лампу накаливания.
В России принята следующая буквенная маркировка люминесцентных ламп. Первая буква Л обозначает, что лампа люминесцентная; маркировка компактных ЛЛ начинается с буквы К — компактная. Следующая буква обозначает цвет излучения: Д — дневной; ХБ — холодно-белый; Б — белый; ТБ — тепло-белый; Е — естественно-белый; К, Ж, З, Г, С — красный, желтый, зеленый, голубой, синий соответственно; УФ — ультрафиолетовый. У ламп с улучшенным качеством цветопередачи после букв, обозначающих цвет излучения, стоит буква Ц, а у ламп особого качества цветопередачи — буквы ЦЦ. В конце маркировки ставят буквы, характеризующие конструктивные особенности: Р — рефлекторная; У — U-образная; К — кольцевая; А — амальгамная; Б — быстрого пуска. Цифры обозначают мощность в ваттах.
В табл. 1 приведены основные параметры люминесцентных ламп общего назначения отечественного производства.
В последнее время в России и за рубежом стали активно разрабатывать компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), с которыми связываются надежды и планы энергосбережения при освещении жилых помещений и офисов. Некоторые типы таких ламп со штырьковыми выводами приведены в табл. 2.
В табл. 3. показан внешний вид и даны параметры современных КЛЛ с резьбовым цоколем. Эти лампы, благодаря своим малым размерам и наличию резьбового цоколя, могут напрямую заменять лампы накаливания в существующих светильниках.
Особенностью всех ЛЛ является необходимость применения специального устройства, называемого пускорегулирующим аппаратом (балластом), которое обеспечивает необходимые рабочие и пусковые режимы работы ламп. К ним относятся:
• режим разогрева электродов, который способствует уменьшению напряжения зажигания ЛЛ;
• режим зажигания, при котором балласт формирует напряжение, превышающее напряжение зажигания лампы;
• рабочий режим, наступающий с момента ионизации разрядного промежутка, при котором балласт ограничивает протекающий через лампу ток на заданном уровне.
В настоящее время наметилась тенденция замены обычных электромагнитных балластов (ЭМБ) высокочастотными электронными балластами (ЭБ). Что же дает применение ЭБ? Во-первых, высокочастотное электропитание ЛЛ увеличивает светоотдачу на 5...15% относительно питания с помощью ЭМБ. Следовательно, для получения одинаковой освещенности можно уменьшить потребляемую мощность также на 5...15%. Кроме того, ЭБ обладает большим значением коэффициента полезного действия, чем ЭМБ. В итоге возможна экономия до 20% потребляемой электроэнергии. В ЛЛ с ЭБ отсутствуют пики перезажигания и становится возможным осуществлять автоматическую регулировку и стабилизацию высокочастотного питающего напряжения
и мощности, что значительно увеличивает срок службы ЛЛ (в 1,5... 2 раза по сравнению с использованием ЭМБ). Кроме того, исчезает акустический шум, характерный для ЭМБ, и примерно в 10 раз уменьшаются колебания светового потока, которые создают зрительное утомление.
Для ЛЛ мощностью до 20 Вт широкое применение нашли схемы электронных балластов с автоколебательным режимом работы. Типовая упрощенная схема такого ЭБ приведена на рис. 1.
Основой ЭБ является полумост, состоящий из двух ветвей: последовательно включенных транзисторов VT1, VT2 и последовательно включенных конденсаторов С1, С2. В диагонали полумоста, куда подключается нагрузка, создается переменное напряжение с амплитудой, равной половине питающего напряжения.
Автоколебательный режим создается трансформатором тока ТТ, базовые обмотки W61 и W62 которого, работая в противофазе, создают положительную обратную связь между входной и выходной цепями транзисторов. Одним из недостатков автоколебательных
преобразователей, построенных на трансформаторе тока, является жесткий запуск, что требует введения дополнительного устройства запуска УЗ. В качестве нагрузки в диагональ полумоста включены балластный дроссель L и собственно ЛЛ, разрядный промежуток которой зашунтирован конденсатором С3. Для обеспечения разогрева электродов конденсатор шунтируется терморезистором с положительным температурным коэффициентом сопротивления Rт+. В режиме разогрева добротность контура LС3 низка и лампа не зажигается. Ток, протекающий через электроды ЛЛ, разогревает их, что в дальнейшем приводит к уменьшению напряжения зажигания. Одновременно сопротивление Rт+ растет, что ведет к увеличению добротности контура, а, следовательно, и напряжения, поступающего на лампу. При превышении этим напряжением уровня напряжения зажигания ЛЛ переходит в рабочий режим. Газоразрядный промежуток в рабочем режиме шунтирует конденсатор С3, устраняя влияние этой цепи на работу схемы. Для защиты схемы от аварийного режима (неисправная лампа) в схему вводится терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом Rт-. При длительном и высоком напряжении на не зажигающейся ЛЛ (в этом случае через лампу и ключи текут большие токи) сопротивление терморезистора падает, что снижает добротность контура, приводя к уменьшению тока и напряжения на лампе. Отечественной промышленностью разработаны интегральные микросхемы управления для ЭБ: 1182ГГ1, 1182ГГ2 и 1182ГГ3. Все они обеспечивают автоколебательный режим работы ЭБ и практически не отличаются друг от друга. Их особенностью являются встроенные силовые биполярные транзисторы, зашунтированные обратными диодами. Рассмотрим работу электронного балласта, построенного с применением микросхемы 1182ГГ2 (рис. 2).
В табл. 4. приведены назначения выводов этой микросхемы.
По структурному исполнению 1182ГГ2 является аналогом дискретных вариантов схем управления ЭБ, использующих принцип автогенерации для получения питающего напряжения ЛЛ. Для запуска автогенератора необходима стартовая цепь, активные элементы которой расположены в микросхеме. Одновременно используются и навесные элементы - резисторы R2,R3 и конденсатор С3. Конденсатор С6 затягивает фронты выходного сигнала микросхемы, снижая уровень высокочастотных помех и улучшая режим работы выходных транзисторов.
Первичная обмотка W1 трансформатора Тр2 является индуктивностью, ограничивающей ток лампы на требуемом уровне. Включение обмоток трансформатора Тр1 соответствующим образом создает положительную обратную связь, что и приводит к возникновению автогенерации.
Емкость конденсатора С8 совместно с индуктивностью обмотки W1 трансформатора Тр2 образует резонансный контур, который формирует высокое напряжение на лампе для ее зажигания. Конденсатор С2 обеспечивает среднюю точку напряжения питания. Конденсатор С1 и дроссель DR1 являются простейшим сетевым фильтром. Резистор R1 ограничивает импульсный ток зарядки конденсатора и защищает выпрямительный мост при включении ЭБ в сеть. Все перечисленные элементы определяют минимальную конфигурацию схемы, при которой она может использоваться для ЛЛ мощностью 2...5 Вт.
Остальные элементы схемы расширяют функциональные возможности ЭБ и в ряде случаев могут не использоваться в конкретном изделии. Так, например, терморезистор РТС с положительным температурным коэффициентом (позистор) позволяет осуществить предварительный подогрев нити накала ЛЛ и ее горячий старт, что значительно продлевает срок службы лампы. Имея малое сопротивление в исходном состоянии, позистор снижает добротность резонансного контура, образованного индуктивностью обмотки W1 трансформатора Тр2 и емкостью конденсатора C8, не давая сразу возрасти напряжению на ЛЛ до уровня зажигания. Через 0,5...0,8 с нити накала разогреваются, сопротивление позистора увеличивается и напряжение на ЛЛ возрастает до уровня зажигания в разогретом состоянии. Емкость конденсатора С7 определяет ток, протекающий через позистор, и время его разогрева. Для типономиналов позисторов, отличающихся от приведенного в схеме, номинал емкости будет другим. Для некоторых позисторов конденсатор С7 может вообще отсутствовать.
Так как при горении лампы позистор будет рассеивать часть активной мощности, то для повышения полезного действия ЭБ иногда используется элемент VD11 с характеристиками симметричного динистора, рассчитанного на напряжение большее, чем напряжение на лампе. В этом случае через позистор будет протекать ток только при разогреве ЛЛ. При старении ЛЛ или ее разгерметизации ЭБ может длительное время находиться в режиме холостого хода. При высокой добротности резонансного контура амплитуда напряжения на его элементах С8 и W1 может превысить их предельные значения, а ток контура — превысить допустимый ток выходных транзисторов, что приведет к выходу ЭБ из строя. Через выпрямительный диод VD5 и ограничивающий резистор R6 на конденсаторе С11 формируется напряжение, пропорциональное напряжению на ЛЛ. При достижении напряжения включения динистора VD12 конденсатор С11 разряжается через резистор R5 и динистор VD12 на вход PRC микросхемы, срывая генерацию и блокируя автогенератор до разрядки конденсатора С2. Конденсатор С10 служит для подавления помех на входе схемы защиты и в ряде случаев может отсутствовать.
Номиналы элементов принципиальной схемы ЭБ (см.
рис. 2) приведены для рабочей частоты 30 кГц и
выходной мощности ЛЛ 12 Вт.
Диод D5 — любой маломощный с Uобр > 100 В, D11 —
симметричный динистор с напряжением включения
150...200 В, D12 — симметричный динистор с
напряжением включения 17 В.
Трансформатор тока Тр1 выполнен на ферритовом
кольце М2000НМ1 с размерами К16х10х4,4; количество
витков обмоток: W1 = W3 = 8, W2 = 16. Для ЛЛ
мощностью 9 Вт — W1 = W3 = 7, W2 = 20; для ЛЛ мощностью 15 Вт — W1 = W3 = 10, W2 = 14. Трансформатор Тр2 выполнен на ферритовом Ш-образном сердечнике сечением 5х5 марки М2000НМ1 с воздушным зазором 0,5 мм. Количество витков обмоток: W1 = 330, W2 = 15 витков, намотанных проводом диаметром 0,25.0,33 мм. Индуктивность обмотки W1 равна 5,1 мГн.
Для ЭБ мощностью более 20 Вт и источников света, содержащих несколько ЛЛ, требуются более мощные силовые транзисторы, которые уже нельзя изготовить в интегральном исполнении в составе микросхемы. Кроме того, автогенераторные схемы подвержены сильному влиянию изменяющихся параметров питающей сети и элементов ЭБ. Поэтому в последних разработках ЭБ для мощных ЛЛ используется принцип принудительного задания рабочей частоты, а силовые транзисторы вынесены за пределы микросхемы управления. Одной из особенностей ЛЛ является существенное различие в пусковых и рабочих характеристиках, которые сильно отличаются не только у ламп разного типа, но даже у однотипных ламп разной мощности. В связи с этим фирмы-изготовители создают универсальные микросхемы управления, позволяющие разработчикам ЭБ реализовать устройства с любым законом управления. Отмечая большой уровень функциональных возможностей таких микросхем, их даже называют контроллерами ЭБ.
Одним из примеров такого контроллера может служить микросхема IR2157 фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER, применяемая в электронном балласте для люминесцентной лампы мощностью 80 Вт (рис. 3).
Эта схема позволяет обеспечить: оптимальные параметры режимов запуска; предварительный подогрев катода; зажигание; рабочий режим и автоматический переход из режима в режим; программируемое время и частоту подогрева катода; программируемое изменение параметров в режиме поджига; программируемую паузу для защиты от сквозных токов в ключах; микромощное потребление в режиме запуска; максимальный ток затворов ключей до 500 мА; высокоточную стабилизацию скважности; контроль состояния нити накала лампы; защиту от работы ниже резонанса; защиту от работы при пониженном питании с автоматическим перезапуском; защиту от выхода из строя и автоматический перезапуск при смене лампы; защиту от тепловой перегрузки; защиту от электростатического разряда. Все режимы работы и функции защиты устанавливаются независимо друг от друга с помощью внешних RC-цепей. При исключении каких-либо функций управления или защиты число элементов ЭБ может сократиться до 60% от его полной конфигурации. Для улучшения электромагнитной совместимости ЭБ и питающей сети в устройство введен корректор мощности на микросхеме LX1562 (о корректорах мощности см. [1]). При определении неисправностей ЭБ необходимо знать режимы работы контроллера IR2157.
Режим микромощного потребления. В этом режиме микросхема не формирует импульсы управления силовыми ключами и потребляет по цепи питания минимальный ток порядка 0,15.0,2 мА. В режим микромощного потребления микросхема переводится, если питание микросхемы Vcc < 11,4 В (осуществляется выпрямленным напряжением, поступающим на выв. 12 микросхемы через резистор R7) или при VDC< 5,1 B, либо при срабатывании защиты. Одной из таких защит является контроль питающего напряжения по выв. 12. При его уменьшении ниже 9,5 В микросхема переходит в режим микромощного потребления и повторно запускается при достижении напряжения Vcc > 11,4 В.
Режим пуска. В этот режим микросхема входит при Vcc > 11,4 B. На выв. 10 и 16 появляются импульсы управления силовыми транзисторами. Длительность режима определяется экспоненциальным ростом напряжения на конденсаторе C4 с постоянной времени цепи R3C4 до уровня 2 В. Частота импульсов управления в этом режиме определяется цепью R4С5 и выбирается таким образом, чтобы исключить преждевременное зажигание лампы.
Режим подогрева. В этот режим микросхема входит при напряжении на конденсаторе C4 более 2 В. В режиме подогрева частота управляющих импульсов выбирается таким образом, чтобы соотношение сопротивлений горячей и холодной нитей накала ЛЛ составляло 4,5/1. Частота управляющих импульсов задается цепью R6С5. Длительность режима определяется зарядкой конденсатора C4 током 1 мкА до напряжения 4 В. При большем напряжении микросхема переходит в режим управляемого зажигания.
Режим управляемого зажигания. В этом режиме частота управляющих импульсов снижается, причем скорость ее снижения задается конденсатором С3, а длительность процесса определяется ростом напряжения на конденсаторе С2 до уровня 5,15 В. В этом режиме должно произойти зажигание ЛЛ. В случае отсутствия ЛЛ или ее выхода из строя напряжение на входе SD становится более 2 В, что приводит к срабатыванию защиты и переходу микросхемы в микромощный режим.
Режим защиты обеспечивается элементами R14 и C6. После срабатывания защиты происходит перезапуск микросхемы.
Контроль тока полумоста и его защита осуществляются во всех режимах. Контролировать ток, протекающий через транзисторы полумоста, позволяют элементы R10 и R11. Роль датчика тока выполняет резистор R11. Вход CS используется для реализации таких функций защиты как отсутствие зажигания, перегрузки по току, отсутствие нагрузки и работа ниже резонанса. В любой из этих аварийных ситуаций микросхема переходит в режим микромощного потребления в описанной выше последовательности.
Кроме того, в микросхеме имеется защита по температуре кристалла. При температуре свыше 175°С срабатывает защита и включение микросхемы возможно только после охлаждения и принудительного включения ЭБ в сеть.
В последних разработках микросхем контроллеров ЭБ в их состав вводится схема управления корректором мощности. В некоторых микросхемах контроллеров предусмотрена функция регулировки яркости свечения
ЛЛ.
Таким образом,специализированные микросхемы контроллеров предоставляют возможность разработки ЭБ, удовлетворяющих требованиям современных стандартов на применение ЛЛ, при максимальной простоте конструкции и высокой надежности. В табл. 5 приведены функциональные возможности микросхем контроллеров ЭБ зарубежного производства.
Литература
1. В. Дьяконов, А. Ремнев, В. Смердов. Корректоры мощности. Ремонт & Сервис, 2000, № 12, с. 53-56.
№9 «Ремонт & Сервис» СЕНТЯБРЬ 2001
|
