Автор предлагает конструкцию электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентных ламп Т8, собранную на специализированной микросхеме ICB1FL02G. Устройство оснащено активным корректором мощности, осуществляет защиту от аварийных режимов и имеет семь различных вариантов подключения ламп различной мощности.
ЭПРА - электронный пускорегулирующий аппарат, часто называемый электронным балластом, служит для розжига и поддержания рабочего режима газоразрядных ламп (в данном случае - люминесцентных). Преимущества электронного балласта перед обычным дросселем и стартёром очевидны, это и отсутствие мерцания ламп при запуске, и более высокий коэффициент мощности, и значительно более низкий коэффициент пульсаций светового потока, а также более низкая стоимость и т. д. В наше время практически каждый люминесцентный светильник, будь то офисный или домашний, оснащён электронным балластом. По схемотехнике массово выпускаемые промышленностью электронные балласты можно поделить на две категории. Первая - это полу-мостовой преобразователь с автозапуском на двух мощных высоковольтных транзисторах серии 13007 с пассивным корректором мощности. Балласты этого типа самые недорогие и распространённые, работают на частоте 36...38 кГц. Вторая - более дорогие ЭПРА, собранные на специализированных микросхемах, имеют активный корректор мощности и функцию "тёплого" старта. Они обычно имеют частоту генератора 36...48 кГц и отличаются очень низким коэффициентом пульсаций светового потока - 2...5 %. Для сравнения: у лампы, включённой с обычным дросселем и стартёром, пуль-сации светового потока приблизительно равны 40...60 %, с дешёвым электронным балластом - около 15 %. О варианте ЭПРА на специализированной микросхеме и пойдёт речь в этой статье.
Основные технические характеристики
Входное переменное напряжение, В................110...250
Максимальный потребляемый ток (4 лампы по 18 Вт), мА .....................330...350
Коэффициент мощности (4 лампы по 18 Вт), не менее.......................0,98
Коэффициент пульсаций светового потока, %, не более ......................... 5
КПД, не менее...................0,9
Частота предварительного прогрева, кГц ..................55
Частота розжига, кГц..............48
Рабочая частота, кГц ..............41
Балласт собран на специализированной микросхеме-контроллере электронного балласта люминесцентных ламп - ICB1FL02G, разработанной фирмой Infineon. Балласты на этой микросхеме схожи по схемотехнике с балластами на микросхемах фирмы International Rectifier, например, IR2168, IR2166, но требуют меньшего числа внешних элементов и, как показала практика, более стабильны и надёжны (это субъективное мнение автора).
Схема устройства приведена на рис. 1. Основная его отличительная особенность - семь конфигураций (вариантов) подключения ламп: 1x18 (одна люминесцентная лампа типа Т8 мощностью 18 Вт), 1x36, 1x58, 2x18, 2x36, 3x18, 4x18 (рис. 2). Подробное описание работы микросхемы приведено в [1]. Работу балласта можно разделить на три этапа: предварительный прогрев катодов лампы, розжиг и рабочий режим. Предварительный прогрев реализован так. Сразу же после включения тактовый генератор микросхемы начинает работать на частоте около 125 кГц. Через 10 мс его частота плавно уменьшается до 65 кГц - это частота предварительного прогрева, которую задают резистором R22. Это значение гораздо выше резонансной частоты выходного балластного контура L2C14, поэтому прикладываемое к катодам ламп напряжение будет недостаточным для их розжига. Начинается предварительный прогрев ламп, длительность которого задают резистором R26 и выбирают в пределах от 0 до 2 с (в нашем случае - 1 с). В течение этого времени частота остаётся неизменной. За время предварительного прогрева катоды ламп достаточно прогреются высокочастотным током, а газ в лампах начнёт частично ионизироваться. В итоге последующий розжиг пройдёт в менее "стрессовом" режиме для нитей ламп и с меньшими бросками тока через транзисторы VT2, VT3. Функция предварительного прогрева значительно, иногда в несколько раз, увеличивает срок службы люминесцентной лампы.
Рис. 1. Схема устройства
Рис. 2. Схема устройства
По истечении времени предварительного прогрева в следующие 40 мс частота тактового генератора микросхемы снова станет понижаться. По мере её приближения к резонансной частоте контура L2C14 напряжение, прикладываемое с обкладок конденсатора С14 к катодам ламп, начнёт резко возрастать и при достижении 600...800 В произойдёт розжиг. Если в этот момент напряжение на датчике тока - резисторе R27 достигнет порога 0,8 В, а это может произойти, например, при попытке включить балласт без нагрузки или при неисправности одной из ламп, контроллер микросхемы прекратит дальнейшее снижение частоты преобразователя и вновь начнёт её повышать, что, в свою очередь, вызовет уменьшение напряжения на конденсаторе С14. Это делается с целью избежать чрезмерного скачка тока и напряжения на выходе преобразователя. При уменьшении падения напряжения ниже 0,8 В на резисторе R27 частота вновь станет понижаться. Этот процесс может повториться несколько раз, пока не будет получен сигнал об успешном розжиге. Этим сигналом служит появление синусоидального тока амплитудой не более 2,5 мА на входе LVS1 (LVS - Lamp Voltage Sense, выв. 13) DA1 и напряжения трапецеидальной формы размахом не более 3,2 В на входе RES (RESTART, выв. 12) DA1. Максимальное время розжига может достигать 235 мс. В случае неудачного розжига ламп микросхема перейдёт в аварийный режим и прекратит коммутацию транзисторов VT2 и VT3. При успешном розжиге DA1 перейдёт в рабочий режим, частота тактового генератора уменьшится до рабочего значения, которое задаётся резистором R18. Все три этапа работы балласта: прогрев, розжиг и рабочий режим иллюстрирует осциллограмма на рис. 3 (осциллограф подключён к контактам 3, 9 разъёма XS1). На рис. 4 приведена осциллограмма напряжения в рабочем установившемся режиме с подключёнными четырьмя лампами мощностью 18 Вт каждая.
Рис. 3. Осциллограмма прогрева, розжига и рабочего режима
Рис. 4. Осциллограмма напряжения в рабочем режиме с подключёнными лампами
В рабочем режиме активируются дополнительные защитные функции: EOL(End Of Life) -окончание срока службы лампы, защита от работы в ёмкостном режиме, защита от выпрямительного эффекта ламп. В случае резкого увеличения тока через лампу, что может произойти к окончанию срока её службы, увеличится до 215 мкА ток в цепи: плюс источника питания, R14, R16, R21, R23, R30, нить лампы, R17, R15, R13, R12, внутренний датчик тока микросхемы DA1. Это вызовет срабатывание защиты EOL, и балласт отключится. Если положительный и отрицательный полупе-риоды тока, текущего по этой цепи, не равны по амплитуде, это означает, что лампа работает в выпрямительном режиме. Другими словами, ток через лампу в одну сторону больше, чем в другую. Такой эффект вызывается преждевременным износом одного из катодов лампы. В этом случае балласт также переходит в аварийный режим. Если во время работы балласта нарушится контакт в цепи ламп, например, вследствие неисправного ламподержателя или перегорания одной из нитей, сопротивление цепи резко возрастёт и выходной каскад перейдёт в ёмкостный режим работы, что, в свою очередь, может вызвать резонанс. В этом случае напряжение на входе RES превысит уровень 1,6 В, что вызовет срабатывание защиты и отключение балласта. Кроме того, входы LVS1 и RES микросхемы DA1 служат для контроля под-ключения ламп в течение всего времени работы балласта. Если во время работы балласта вынуть одну из ламп, балласт отключится.
Активный корректор мощности собран на трансформаторе T1, транзисторе VT1, диоде VD2 и конденсаторе C5. Его назначение - максимально приблизить форму потребляемого тока к форме напряжения, уменьшить сдвиг фаз между током и напряжением, тем самым свести к минимуму реактивную мощность. Подробно принцип его работы описан в [1] и [2]. Особенность этого корректора - возможность работы как в режиме критической проводимости (Critical Conduction Mode - CCM), так и в режиме прерывистой проводимости (Discontinuous Conduction Mode - DCM). Делитель R8-R11C6 служит для контроля мгновенного значения напряжения питания и определения времени закрытия транзистора VT1. Вторичная обмотка трансформатора Т1, подключённая через токоограничивающий резистор R3 к входу PFCZCD (выв. 7) DA1, необходима для определения момента, когда ток через первичную обмотку трансформатора достигнет нулевого значения. Как только это произойдёт, на затвор транзистора VT1 будет подан открывающий импульс. Обе обмотки трансформатора Т1 должны быть обязательно синфазны.
Питание микросхемы в первый после включения момент осуществляется от цепи R1,R2,R5. В дальнейшем - от выходного каскада через стабилизатор С12С13R28VD5VD6C10.
Для подключения к балласту четырёх ламп производитель микросхемы рекомендует использовать два выходных балластных контура, включённых параллельно, в каждом контуре по две последовательно соединённые лампы [1]. Но тогда возникает следующая проблема. Даже при незначительном разбросе параметров выходного LC-контура пары ламп могут разжигаться неодновременно, что не очень приятно для восприятия. С другой стороны, четыре последовательно соединённые лампы разжечь довольно проблематично, поскольку они не успевают достаточно прогреться во время предварительного прогрева, и для розжига потребуется гораздо большая энергия. К тому же нельзя забывать и о потерях на соединительных проводах. Решением стало оставить один выходной контур, но добавить маломощный вспомогательный понижающий трансформатор Т2. Он компенсирует потери в местах соединения ламп, улучшает прогрев ламп и облегчает их розжиг Экспериментально установлено, что мощность трансформатораТ2 должна быть 8.. .10 % от общей мощности ламп, коэффициент трансформации - 20.30. При подключении к балласту ламп 1x18, 2x18, 1x36 трансформатор Т2 и разделительные конденсаторы С11, С16 и С18 необходимо удалить, чтобы избежать подведения к лампам излишней мощности.
В документации [1] приводится расчёт всех основных элементов балласта, за исключением выходного контура L2C14. Индуктивность дросселя L2 и ёмкость конденсатора С14 рассчитывают так. Максимальная мощность ламп (4x18 или 2x36) P=72 Вт, рабочая частота выбрана f=41 кГц, частота розжига fign=48 кГц [1], с использованием "тёплого" старта оптимальное напряжение розжига Uign≈700 В. Из соотношения энергии получим
E = P/f = C·U2/2 ,
отсюда
C14 = 2P/(fign·Uign2) = 2·72/(48·103·7002) ≈ 6,1 нФ.
Из имеющихся был выбран конденсатор ёмкостью 6,8 нФ. Теперь определяем индуктивность дросселя L2. Частота равна
f = 1/(2π√LC) ,
отсюда
L2 = 1/(4π2·С·f2) = 1/(4π2·6,8·412·106) = 2,2 мГн.
С другой стороны, индуктивность балластного дросселя должна соответствовать условию
L2 = (Uпит - Uл)·tоткр/Iл ,
где Uпит - напряжение питания; Uл - рабочее напряжение на лампах (рабочее напряжение лампы мощностью 18 Вт приблизительно равно около 56 В, следовательно, Uл=4·56=224 B); tоткр - время открытого состояния транзистора при f=41 кГц, tоткр ≈11,5 мкс (согласно [1]); Iл≈0,33 A - рабочий ток ламп. Отсюда
L2 = (290 - 224)·11/330 = 2,2 мГн.
Определяем максимальный ток дросселя L2, он будет равен току конденсатора С14 в момент резонанса
IL2 = Upeз·2π·fpeз·C = 700·2π·48·103·6,8·10-9 = 1,4 А.
Выбираем подходящий по габаритной мощности магнитопровод, например, EV25/13/13.
Оценим требуемый зазор g:
g = (4·10-4·π· L·Imax2)/(S·B2) ,
где S - площадь поперечного сечения магнитопровода, м (для EV25/13/13 S=75 мм2); В - максимальная индукция, Тл; L - индуктивность, Гн; Imax - максимальный ток, А.
Примем индукцию В=0,22 Тл. Получим
g = (4·10-4·π·2,2·10-3·1,42)/(75·10-6·0,222) = 1,5 мм.
Рассчитаем число витков N дросселя L2:
L = N2·AL ,
отсюда
N = √(L/AL) ; AL = (AL0·λ)/(μe·g)
где AL - индуктивность на виток (магнитопровод с зазором), Гн; AL0 - индуктивность на виток (магнитопровод без зазора, информация из справочника), Гн; λ - длина средней силовой линии магнитопровода, мм; μe - начальная магнитная проницаемость материала магнитопровода (информация из справочника). Для магнитопровода EV25/13/13, материал N87 - AL0=2400 нГн, λ=59 мм, μe= 1520. Отсюда
AL = (2400·10-9·59·10-3)/(152·1,5·10-3) = 6,7·10-8 Гн ,
N = √(2,2·10-3/6,7·10-8) = 181 виток.
Проверим максимальную индукцию
B = (Imax·μ0·N)/g , где μ0 = 4π·10-7 Гн/м ;
B = (1,4·4π·10-7·181)/(1,5·10-3) = 0,212 Тл
Дроссель намотан проводом 4x0,2 мм (четыре провода диаметром по 0,2 мм). При возможности обмотку желательно разделить на секции.
Устройство собрано на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита. Чертёж печатной платы приведён на рис. 5. Все элементы для поверхностного монтажа размещены со стороны печатных проводников, все выводные элементы - на противоположной стороне. Расположение элементов показано на рис. 6. Фотографии собранного устройства приведены на рис. 7 и рис. 8. Конденсатор С14 - металлоплёночный, на напряжение 1600 В, конденсаторы С11-С13 - металлоплёночные или дисковые керамические на напряжение 1000 В, конденсаторы С16, С18 - 100 В. Диоды VD2, VD4 - быстродействующие с допустимым обратным напряжением не менее 600 В. Транзисторы FQD5N50 (VT1-VT3) можно заменить на SPP03N60C3 или аналогичные. Трансформатор Т1 намотан на магнито-проводе Е25/13/7, материал N27, немагнитный зазор 1,6 мм. Первичная обмотка содержит 184 витка провода 4x0,2 мм, вторичная - 14 витков провода диаметром 0,3 мм. Трансформатор Т2 намотан на магнитопроводе Е16/8/5, материал N27, без зазора. Обмотка 1-2 содержит 208 витков, обмотки 11 - 14, 6 - 7, 10 -13 - по 24 витка, обмотки 4 - 5, 8 - 9 - по 12 витков. Диаметр провода всех обмоток - 0,18 мм. Частотозадающие резисторы R18, R22, R26 желательно выбрать с допуском 0,5-1 %. Правильно собранное устройство обычно начинает работать сразу и налаживания не требует.
Рис. 5. Чертёж печатной платы
Рис. 6. Расположение элементов
Рис. 7. Устройство в сборе
Рис. 8. Устройство в сборе
Литература
1. ICB1FL02G. Smart Ballast Control IC for Fluorescent Lamp Ballasts. - URL: http:// www.infineon.com/dgdl/Infineon-ICB1 FL 0 2G-DS-v02_01 -en.pdf?fileId = db3a 304412b4079501 1 2b436658d661 0 (20.05.15).
2. IR2166(S) & (PbF). PFC & BALLAST CONTROL IC. - URL: http://www.irf.com/ product-info/datasheets/data/ir2166.pdf (20.05.15).
Автор: В. Лазарев, г. Вязьма Смоленской обл.