Электронный пускорегулирующий аппарат фирмы PHILIPS

   Электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) обеспечивает работу трубчатых люминесцентных ламп со щадящими режимами пуска. ЭПРА с полумостовым инвертором разработан для управления стандартной лампой Philips TLD58W или лампами аналогичных типов. Схема оптимизирована для ламп мощностью 50 Вт при номинальном напряжении сети 230 В и частоте 50...60 Гц. Щадящий режим пуска увеличивает срок службы лампы. Постоянство мощности лампы обеспечено автоматическим управлением. Предусмотрены защита от емкостного режима работы и защита от удаления лампы.

   ЭПРА работоспособен в диапазоне напряжений сети 185...265 В при частоте 50...60 Гц. Автоматическое управление поддерживает мощность горения лампы в пределах 47,6...50,3 Вт при изменении напряжения сети в пределах 200...260 В. Одним из основных компонентов является высоковольтная ИМС UBA2021, предназначенная для управления как компактными люминесцентными лампами, так и трубчатыми лампами. Микросхема UBA2021, включающая высоковольтный драйвер со схемой запуска, генератор и таймер, обеспечивает управление режимами пуска, подогрева, зажигания и горения лампы, а также защиту от емкостного режима и удаления лампы. UBA2021 управляет работой мощных полевых МОП-транзисторов PHX3N50E, являющихся ключами полумостового инвертора, который питается от сети с номинальным напряжением 230 В и частотой 50...60 Гц. При этом обеспечивается необходимый сдвиг уровней питания полевых транзисторов, осуществляющий защиту от емкостного режима работы.Основными достоинствами этого изделия являются малое число компонентов и низкая стоимость, что достигнуто благодаря применению ИМС UBA2021, которая способна обеспечить максимальную гибкость разработки при минимальном числе периферийных элементов.

   Блок-схема устройства приведена на рис.1, полная электрическая схема - на рис.2. Напряжение сети переменного тока преобразуется в питающее полумостовой инвертор напряжение постоянного тока с помощью мостового выпрямителя на четырех диодах и сглаживающего конденсатора. Помехоподавляющий сетевой фильтр (рис.1) препятствует проникновению помех в сеть. Полумостовой инвертор относится к группе высокочастотных резонансных преобразователей напряжения, которые удобны для управления газоразрядными лампами. Используемый принцип переключения двух мощных МОП-транзисторов при нулевом напряжении позволяет уменьшить потери на их переключение и обеспечивает высокий КПД аппарата.

Рис. 1
Блок схема устройства

   После подачи сетевого напряжения люминесцентная лампа сначала подогревается. Это называется мягким пуском и обеспечивает надежную и долговечную работу лампы. Величина тока подогрева регулируется микросхемой UBA2021. Этот ток, проходящий через нити накала лампы, разогревает электроды лампы до температуры, обеспечивающей достаточную эмиссию электронов. Достаточный подогрев позволяет уменьшить напряжение зажигания лампы, что снижает ударные электрические нагрузки на элементы схемы. Автоматическое управление в значительной степени стабилизирует излучаемый лампой световой поток в широком диапазоне вариаций напряжения сети.

Рис. 2
Полная электрическая схема устройства

   После включения выпрямленное напряжение сети поступает на буферный конденсатор С4 через резистор R1 (рис.2), ограничивающий бросок тока. Конденсатор сглаживает пульсации напряжения с удвоенной частотой сети. Полученное высоковольтное напряжение U_HV постоянного тока является питающим для полумостового инвертора, в состав силовых компонентов которого входят транзисторы VT1, VT2, катушка L1, конденсаторы С5, С6, С7 и лампа, подключаемая к разъемам Р2 и РЗ.

   На этапе пуска ток от высоковольтного конденсатора С4 проходит через резистор R2, нить накала лампы, резистор R4, выводы 13 и 5 микросхемы UBA2021, соединенные между собой в период пуска внутренним ключом, и заряжает конденсаторы низковольтного питания С9, СЮ и С13. Как только напряжение питания Vs на С13 достигнет величины 5,5 В, происходит переключение UBA2021, в результате которого транзистор VT2 открывается, а транзистор VT1 запирается. Это позволяет зарядиться пусковому конденсатору С12 через внутреннюю цепь микросхемы. Напряжение питания Vs продолжает увеличиваться, и при Vs > 12 В схема начинает генерировать. Величина тока потребления ИМС внутренне фиксируется на уровне порядка 14 мА. Далее происходит переход к этапу подогрева.

   При отсутствии лампы пуск автоматически блокируется, т.к. в этом случае оказывается разорванной цепь зарядки пускового конденсатора.

   На этапе подогрева МОП-транзисторы VT1 и VT2 поочередно переводятся в проводящее состояние. Это генерирует переменное напряжение прямоугольной формы относительно средней точки полумоста с амплитудой VHV. Стартовая частота колебаний составляет 98 кГц. В этих условиях цепь, состоящая из С8, VD5, VD6, С9 и СЮ, оказывается способной выполнить функцию источника низковольтного питания, которая во время пуска обеспечивалась током через вывод 13 ИМС.

   В течение интервала времени, примерно равного 1,8 с (время подогрева t_PRE), продолжительность которого определяется номиналами С17 и R7, система находится в режиме подогрева, когда через нити накала лампы проходит ток контролируемой величины. Это позволяет оптимальным образом разогреть оба электрода лампы. Нагретые электроды эмиттируют в лампу большое число электронов, и в этом состоянии для ее зажигания требуются значительно меньшие напряжения, что минимизирует ударные электрические нагрузки на элементы схемы и лампу в момент зажигания. Подогрев электродов весьма важен для обеспечения большого срока службы лампы.

   После возникновения генерации небольшой переменный ток начинает протекать от средней точки полумоста через нити накала лампы, L1 и С7. Частота колебаний постепенно снижается, что приводит к соответствующему росту величины тока. Скорость снижения частоты определяется емкостью конденсатора С14 и внутренним источником тока ИМС. Частота прекращает падать, как только будет достигнуто определенное значение напряжения переменного тока на резисторах R5 и R6, являющихся датчиками тока подогрева. Это происходит примерно через 3 мс после включения. UBA2021 стабилизирует ток через нити накала, отслеживая величину падения напряжения на R5 и R6.

   В течение всего этапа подогрева частота работы полумостового инвертора остается выше резонансной частоты цепочки L1, С7 (55,6 кГц), и в силу этого напряжение на С7 еще мало для зажигания лампы. Весьма важно удержать это напряжение достаточно малым: ведь преждевременное, так называемое холодное, зажигание приводит к потемнению концов лампы.

   Величина индуктивности балластной катушки L1 определяется необходимым током через лампу, емкостью конденсатора поджига С7 и рабочей частотой в режиме горения. Минимальная величина емкости С7 определяется индуктивностью L1, величиной не приводящего к зажиганию напряжения на лампе при данном токе подогрева и минимальным напряжением сети. В результате оптимальным для подогрева оказывается значение емкости С7, равное 8,2 нФ.

   После окончания этапа подогрева UBA2021 возобновляет дальнейшее снижение частоты переключений полумоста вплоть до низшей частоты fB (39 кГц). Однако теперь понижение частоты осуществляется гораздо медленнее, чем это происходило в стадии подогрева. Частота переключений смещается к резонансной частоте последовательной цепочки, состоящей из индуктивности L1 и суммарной емкости конденсатора С7 и электродов лампы (55,6 кГц), причем сопротивления блокирующих постоянный ток конденсаторов С5 и С6 достаточно малы.

   Максимальная величина напряжения зажигания в наихудшем случае (когда и светильник, и схема ЭПРА подключены к защитному заземлению сети) для лампы TLD58W при низких температурах составляет примерно 600 В.

   Сочетание балластной катушки индуктивности L1 и конденсатора поджига С7 подобрано таким образом, чтобы напряжение на лампе могло превысить эти необходимые для надежного зажигания 600 В. Величина напряжения зажигания определяет максимальное значение емкости С7 при заданной индуктивности L1, выбранной исходя из нижней частоты fB UBA2021. Нижняя частота fB задается величинами R7, С15 и С16. Максимально возможная продолжительность этапа зажигания T_IGN равна 1,7 с (15/16-ых от T_PRE), она устанавливается подбором С17 и R7.

   В предположении, что лампа зажглась в ходе понижения частоты, частота уменьшается до минимального значения fB. UBA2021 может осуществить переход к этапу горения двумя путями: 1 - при снижении частоты до fB, и 2 - если частота fB не достигнута, но переход происходит по истечении максимально возможной продолжительности этапа зажигания T_IGN.

   На этапе горения частота колебаний в схеме обычно снижается до fB (39 кГц), которая может использоваться в качестве номинальной рабочей частоты. Однако, в силу применения в ЭПРА автоматического управления, частота колебаний зависит от величины тока, протекающего через вывод 13 (вывод RHV) ИМС UBA2021. Автоматическое управление начинает функционировать после достижения fB.

   Во время этапа пуска конденсаторы низковольтного питания С9, С10 и С13 заряжаются током, протекающим от высоковольтного конденсатора С4 через R2, нить накала лампы, R4 и внутренне соединенные выводы 13 и 5 UBA2021. На этапе горения происходит перекоммутация. Вместо вывода 5 к выводу 13 оказывается подключенным вывод 8. Теперь ток, протекающий через резисторы R2 и R4, используется в качестве информационного параметра в системе автоматического управления частотой переключений силового инвертора, так как сила этого тока пропорциональна уровню выпрямленного напряжения сети. Пульсации с удвоенной частотой сети (100... 120 Гц) фильтруются конденсатором С17. В результате излучаемый лампой световой поток остается почти постоянным при изменении напряжения сети в пределах от 200 до 260 В.

Таблица 1

   На частотах выше 10 кГц лампа может рассматриваться как резис-тивная нагрузка. Светоотдача возбуждаемых на частотах выше 10 кГц трубчатых ламп существенно лучше, чем при их питании с частотой 50...60 Гц. Это означает, что лампа TLD58W при высокочастотном питании с мощностью 50 Вт излучает такой же световой поток, как и TLD58W при мощности питания 58 Вт на частоте 50...60 Гц. Рабочая точка установившегося состояния для подключенной к ЭПРА TLD58W характеризуется напряжением на лампе 110 В и током через нее 455 мА, что соответствует мощности питания 50 Вт.

   Величина индуктивности балластной катушки L1 определяется рабочей точкой лампы, емкостью конденсатора поджига С7 и рабочей частотой, которая примерно равна 45 кГц при номинальном напряжении сети 230 В.

   Желаемая мощность возбуждения лампы может быть достигнута при различных сочетаниях величин индуктивности L1 и емкости С7. Выбор конткретного сочетания зависит от таких факторов как режим подогрева, минимально необходимое напряжение зажигания и допуски на параметры компонентов схемы. В большинстве случаев оптимальным является сочетание дроссельной катушки L1 с индуктивностью 1 мГн и конденсатора поджига С7 с емкостью 8,2 нФ.

   Для предохранения элементов силовой цепи от значительных перегрузок, в микросхему встроена функция защиты от емкостного режима работы, которая активна на этапах зажигания и горения. UBA2021 проверяет величину падения напряжения на R5 и R6 во время включения транзистора VT2 в каждом цикле работы инвертора. Если это напряжение оказывается меньше 20 мВ, это означает, что схема работает в емкостном режиме, и UBA2021 начинает повышать частоту переключений с гораздо большей скоростью, чем она ее снижала на этапах подогрева и зажигания. В итоге частота переключений превысит резонансную частоту. При исчезновении признаков емкостного режима частота переключений вновь уменьшается до необходимой.

   Защита при удалении лампы обеспечена способом получения низковольтного напряжения питания для UBA2021. При удалении лампы становится нулевым напряжение переменного тока на конденсаторе С6, что приводит к исчезновению низковольтного питания ИМС. После замены лампы без отключения ЭПРА работа схемы возобновится с этапа пуска. И, наконец, пуск ЭПРА невозможен при отсутствии лампы - ведь в этом случае пусковой резистор R4 оказывается отключенным от высоковольтного напряжения.

   В ЭПРА установлен электролитический конденсатор С4 типа ASH-ELB 043. Эти, специально разработанные для применения в электронных схемах питания люминесцентных ламп, конденсаторы характеризуются большим сроком службы (15000 часов) при температурах до 85°С и выдерживают значительные пульсации тока.

   Силовыми ключами в инверторе являются полевые МОП-транзисторы типа PHX3N50E (индекс "Е" свидетельствует о повышенной надежности прибора). Благодаря использованию принципа переключения при нулевом напряжении, потери на переключение МОП-транзисторов минимизированы. Нагрев каждого из транзисторов вызывается только потерями в проводящем состоянии, и степень повышения температуры зависит от сопротивления открыто го канала сток-исток (Rds on) и теплового сопротивления корпуса (Rth)-Продолжительности этапов подогрева и зажигания достаточно малы, в силу чего выбор типа МОП-транзистора был обусловлен величиной тока, протекающего через балластную катушку индуктивности в режиме горения лампы. PHX3N50E характеризуются максимальным постоянным напряжением сток-исток 500 В и сопротивлением открытого канала менее 3 Ом, что делает эти приборы весьма привлекательными для применения данного ЭПРА.

   Конструкция выдерживающей пиковые токи зажигания до 2,5 А балластной катушки L1 с индуктивностью 1 мГн позволяет применять ее в схемах без защитного заземления.

   Поджигающим в ЭПРА является конденсатор С7 с емкостью 8,2 нФ типа КР/ММКР376. Этот тип конденсаторов разработан для применения в цепях с высокими скоростями нарастания напряжения и большой частотой повторения. Установленный конденсатор способен выдержать размах напряжения до 1700 В (600 В действующего значения синусоидального напряжения).

   "Сердцем" ЭПРА является UBA2021. Эта специализированная ИМС предназначена для управления компактными и трубчатыми люминесцентными лампами. В состав UBA2021 входит высоковольтный драйвер со схемой запуска, генератор и таймер, обеспечивающие управление на стадиях пуска, подогрева, зажигания и горения лампы, а также защиту от емкостного режима. ИМС выдерживает напряжения до 390 В и кратковременные всплески напряжений (t < 0,5 с) до 570 В. Низковольтное напряжение питания внутренне фиксируется, что устраняет необходимость установки внешнего стабилитрона. Фиксация осуществляется при токах до 14 мА с кратковременными (t < 0,5 с) всплесками до 35 мА.

   В таблице приведены энергетические характеристики ЭПРА.