А. Русак
"Да будет свет! сказал монтер и перерезал провода..."
С этой банальной цитаты и начнем сегодня разговор о лампах дневного света, а именно,
об устройстве балласта для этих злополучных ламп. Итак... где же вы, разработчики, радиолюбители,
технари-кустари, "ботаники" и т. п., в общем, вся техногвардия, с которой начинается нормальное
конструирование электронных устройств, двигающих вперед мало-помалу наше собственное Российское
производство!?
Помните, как в детстве взял лампу дневного света, неизвестно какую, нашел на помойке балластный
дроссель, тоже неизвестно какой, у дяди Пети выпросил стартер, все это собрал, включил в 220 В и...
ура засветилось, засветилось, потому, что не могла не заработать такая простая схема, изображенная
на рис. 1.
Конечно, с той первой детской радости утекло немало воды, многое изменилось в схемотехнике, но
основополагающие принципы сохранились.
Рис. 1. Типовая схема балласта лампы дневного света
Принцип работы такой схемы одновременно и сложен и прост, но вкратце постараемся еще раз осветить
основные моменты. Итак... Когда схема первоначально подключается к сети (220 В, 50 Гц), изначально
холодная лампа дневного света (далее по тексту ЛДС) представляет собой высокий импеданс для 220 В,
т. к. газ в ней еще не ионизирован. Поэтому весь ток, пройдя через низковольтные витки накальных
элементов, поступает на стартер, газ в баллоне которого, обладающего гораздо меньшим импедансом по
отношению к лампе, быстро ионизируется и нагревается, в результате чего один из контактов биметаллик
сгибается и замыкает цепь. С этого момента начинается нагрев накальных элементов и ионизация газа
внутри ЛДС, а дроссель-балласт накапливает энергию. Биметаллический лепесток стартера остыв, размыкает
цепь, в результате чего энергия, накопленная в Балласте, высвобождается и замыкается через малое
сопротивление сети непосредственно на ЛДС, приводя к ее зажиганию. В дальнейшем функция Балласта
заключается в поддержании некоторого более-менее постоянного значения RMS на концах лампы.
Недостатки и достоинства схемы
Недостатки:
- Немалый вес и габариты балласта и стартера.
- Мерцание (стробоскопический эффект); при частоте сети в 50 Гц газ в лампе успевает деионизироваться
между циклами синусоидального напряжения, т. е. в моменты перехода синусоиды через "0".
- "Фальш-старт" вспыхивание и моргание лампы в течение некоторого промежутка времени с момента
поджига; поскольку отсутствует синхронизация между срабатыванием стартера и синусоидальным напряжением
питающей сети, сетевое напряжение питания может уменьшать энергию дросселя, не обеспечивая должного
уровня в момент старта на концах ЛДС. Это вызывает повторные срабатывания стартера.
- Нагрев балласта в результате потерь на его относительно высоком резистивном сопротивлении приводит к
лишним затратам электроэнергии.
Достоинства:
- Низкая себестоимость.
Вышеуказанные недостатки существенны и с лихвой перекрывают единственное достоинство. Особенно вредным
является "фальш-старт". При повторных включениях стартера накальные элементы ЛДС перегреваются и быстро
выходят из строя. Иными словами "фальш-старт" резко сокращает срок службы ЛДС скупой платит дважды.
Неприятен и визуальный эффект "фальш-старта".
Электронный балласт
В схеме на рис. 2 напряжение сети 220 В 50 Гц сначала выпрямляется, а затем подается на схему
высоковольтной и высокочастотной коммутации,где частота переключений тока уже не 50 Гц, а десятки
килоГерц. Вместо стартера используется уже не схема прерывания, а термистор или просто конденсатор
большой емкости, который обеспечивает работу накальных элементов ЛДС в течение какого-то промежутка
времени. Функции же управления коммутацией дросселя в момент поджига лампы сосредоточены в "схеме запуска".
Рис. 2. Электронный балласт
Такая схема имеет тройную эффективность:
Во-первых, полностью исключается "фальш-старт", т. к. дроссель коммутируется при поджиге высоковольтным
коммутатором не на переменную сеть, как это было ранее, а на постоянное напряжение. При этом оба напряжения
(напряжение индукции дросселя и выпрямленное напряжение сети) складываются друг с другом со знаком "+".
Возникает потенциал, достаточный для гарантированного поджига лампы с первого раза.
Во-вторых, благодаря высокочастотной коммутации, газ в лампе не успевает деионизироваться между токовыми
циклами, а значит для нормальной работы лампы требуется меньшее напряжение (примерно 70 % в отличие от
варианта с 50 Гц). Это прямая экономия элект-роэнергии. Примечательно и отсутствие "стробоскопического"
эффекта.
В-третьих, поскольку частота коммутации выше требуется дроссель с меньшей индуктивностью, а значит и с
меньшими размерами и весом, чем в варианте на рис. 1. Уменьшение его резистивного сопротивления также
экономит электроэнергию.
Практическая реализация
Каковы же конкретные схемотехнические решения от конкретных производителей? Здесь хотелось бы
выделить SGS-Thomson (с недавних времен STMicroelectronics) и International Rectifier. STMicroelectronics
для управления ЛДС предлагает чип BCD-технологии L6569, блок-схема которого приведена на рис. 3.
Рис. 3. Блок-схема L6569
Pin-to-Pin аналогом ИС L6569 являются микросхемы фирмы International Rectifier IR2151... IR2155. Схема
содержит программируемый осциллятор, частота которого устанавливается элементами Rf и Cf, работающий в
диапазоне 25100 кГц, два буфера с выходной нагрузкой 275 мA для управления высоковольтными MOSFET, схему
контроля и управления. Максимальное высоковольтное напряжение питания схемы (V BOOT) колеблется в пределах
600 В, как утверждает производитель; специалисты International Rectifier показали более скромную величину
500 В. Последнее, конечно, несущественно, т. к. и при 500 В схема работает. Практическая реализация схемы
электронного балласта на этих ИС приведена на рис. 4.
Рис. 4. Пример практической схемы электронного балласта с использованием L6569 или IR215X
У International Rectifier в качестве MOSFET используются транзисторы IRF720. Конкретную топологию печатной
платы устройства и расположение элементов можно почерпнуть из технического описания микросхем L6569, а у
International Rectifier из Design Tip "DT-94-9" и 10. Есть и более новые разработки в этой области,
например, гибридные схемы фирмы International Rectifier IR51HXXX. В качестве конкретного примера рассмотрим
микросхему IR51H420 (рис. 5).
Рис. 5. Блок-схема ИС IR51H420
Схема содержит упомянутый выше ЧИП управления IR2151 и два высоковольтных MOSFET-транзистора.
При таком подходе практическая реализация схемы электронного балласта выглядит намного проще,
как это показано на рис. 6.
Рис. 6. Практическая схема электронного балласта с применением IR51H420
Элементы, помеченные двумя звездочками (**), являются табличными величинами и зависят от мощности
применяемой ламы. В этой схеме применяется ЛДС 18W. Однако, если у производителя возникнет интерес
к данной схеме с применением другой лампы, он может почерпнуть табличные значения из Design Tip DT95-3
International Rectifier.
В заключение хочется добавить, что невозможно в короткой статье изложить всю информацию по данной теме,
поэтому разработчикам рекомендуем использовать весь имеющийся арсенал информации: Internet-сайты:
www.st.com, www.irf.com, обычные CD-ROM.
Литература:
ООО "ПетроИнТрейд"
Тел. (812) 310-1778, 310-2959
Тел./факс (812) 310-5151
E-mail: semicond@pit.spb.ru
Ваш комментарий к статье | ||||