Универсальный ЭПРА с теплым стартом для люминесцентных ламп Т8. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Освещение

 Комментарии к статье

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 стартером 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, оснащен 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 распространенные, работают на частоте 36...38 кГц.

Вторая - более дорогие ЭПРА, собранные на специализированных микросхемах, имеют активный корректор мощности и функцию "теплого" старта. Они обычно имеют частоту генератора 36...48 кГц и отличаются очень низким коэффициентом пульсаций светового потока - 2...5 %. Для сравнения: у лампы, включенной с обычным дросселем и стартером, пульсации светового потока приблизительно равны 40...60 %, с дешевым электронным балластом - около 15 %.

О варианте ЭПРА на специализированной микросхеме и пойдет 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 надежны (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 остается неизменной. За время предварительного прогрева катоды ламп достаточно прогреются высокочастотным током, а газ в лампах начнет частично ионизироваться.

В итоге последующий розжиг пройдет 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 (нажмите для увеличения)

Рис. 2. Схема устройства

По истечении времени предварительного прогрева в следующие 40 мс частота тактового генератора микросхемы снова станет понижаться. По мере ее приближения к резонансной частоте контура L2C14 напряжение, прикладываемое с обкладок конденсатора С14 к катодам ламп, начнет резко возрастать и при достижении 600...800 В произойдет 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 начнет ее 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 перейдет в аварийный режим и прекратит коммутацию транзисторов VT2 и VT3. При успешном розжиге DA1 перейдет в рабочий режим, частота тактового генератора уменьшится до рабочего значения, которое задается резистором R18. Все три этапа работы балласта: прогрев, розжиг и рабочий режим иллюстрирует осциллограмма на рис. 3 (осциллограф подключен к контактам 3, 9 разъема XS1). На рис. 4 приведена осциллограмма напряжения в рабочем установившемся режиме с подключенными четырьмя лампами мощностью 18 Вт каждая.

Рис. 3. Осциллограмма прогрева, розжига и рабочего режима

Рис. 4. Осциллограмма напряжения в рабочем режиме с подключенными лампами

В рабочем режиме активируются дополнительные защитные функции: EOL(End Of Life) -окончание срока службы лампы, защита от работы в емкостном режиме, защита от выпрямительного эффекта ламп. В случае резкого увеличения тока через лампу, что может произойти к окончанию срока ее 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 полупериоды 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 возрастет и выходной каскад перейдет в емкостный 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 подключения 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, подключенная 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 произойдет, 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 четырех ламп производитель микросхемы рекомендует использовать два выходных балластных контура, включенных параллельно, в каждом контуре по две последовательно соединенные 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 соединенные 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 расчет всех основных элементов балласта, за исключением выходного контура L2C14. Индуктивность дросселя L2 и емкость конденсатора С14 рассчитывают так. Максимальная мощность ламп (4x18 или 2x36) P=72 Вт, рабочая частота выбрана f=41 кГц, частота розжига f_ign=48 кГц [1], с использованием "теплого" старта оптимальное напряжение розжига U_ign≈700 В. Из соотношения энергии получим

E = P/f = C·U²/2,

отсюда

C14 = 2P/(f_ign·U_ign²) = 2·72/(48·10³·700²) ≈ 6,1 нФ.

Из имеющихся был выбран конденсатор емкостью 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 = (U_пит - U_л)·t_откр/I_л ,

где U_пит - напряжение питания; U_л - рабочее напряжение на лампах (рабочее напряжение лампы мощностью 18 Вт приблизительно равно около 56 В, следовательно, U_л=4·56=224 B); t_откр - время открытого состояния транзистора при f=41 кГц, t_откр ≈11,5 мкс (согласно [1]); I_л≈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

I_L2 = U_peз·2π·f_peз·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·I_max²)/(S·B²),

где S - площадь поперечного сечения магнитопровода, м (для EV25/13/13 S=75 мм²); В - максимальная индукция, Тл; L - индуктивность, Гн; I_max - 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·A_L,

отсюда

N = √(L/A_L) ; A_L = (A_L0·λ)/(μ_e·g)

где A_L - индуктивность на виток (магнитопровод с зазором), Гн; A_L0 - индуктивность на виток (магнитопровод без зазора, информация из справочника), Гн; λ - длина средней силовой линии магнитопровода, мм; μ_e - начальная магнитная проницаемость материала магнитопровода (информация из справочника). Для магнитопровода EV25/13/13, материал N87 - A_L0=2400 нГн, λ=59 мм, μ_e= 1520. Отсюда

A_L = (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 = (I_max·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. Чертеж печатной платы приведен 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 - металлопленочный, на напряжение 1600 В, конденсаторы С11-С13 - металлопленочные 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 магнитопроводе 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. Чертеж 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: infineon.com/dgdl/Infineon-ICB1FL02G-DS-v02_01-en.pdf?fileId=db3a 304412b407950112b436658d6610.
2. IR2166(S) & (PbF). PFC & BALLAST CONTROL IC. - URL: irf.com/product-info/datasheets/data/ir2166.pdf.

Автор: В. Лазарев

Смотрите другие статьи раздела Освещение.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Впервые преоодолена передача ВИЧ от матери к ребенку 02.01.2026

Проблема вертикальной передачи ВИЧ - от матери к ребенку - остается одной из ключевых задач глобальной медицины. Недавний отчет Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) демонстрирует историческое достижение: Бразилия впервые в своей истории полностью преодолела этот путь передачи вируса. Страна стала 19-й в мире и первой с населением более 100 миллионов человек, которая достигла такого результата. Достижения Бразилии основаны на комплексных медицинских программах, обеспечивающих своевременный доступ к диагностике и терапии для всех слоев населения. ВОЗ официально подтвердило, что уровень передачи ВИЧ от матери к ребенку снизился до менее двух процентов. Более 95% беременных женщин в стране получают регулярный скрининг на ВИЧ и необходимое лечение в рамках стандартного ведения беременности. Изначально программа тестировалась в крупных муниципалитетах и штатах с населением более 100 тысяч человек, а затем была масштабирована на всю страну. Такой подход позволил унифицировать ста ...>>

Нанослой германия увеличивает эффективность солнечных батарей на треть 02.01.2026

Разработка высокоэффективных солнечных батарей остается одной из ключевых задач современной энергетики. Недавнее исследование южнокорейских ученых позволило повысить производительность тонкопленочных солнечных элементов почти на 30%, что открывает новые перспективы для возобновляемых источников энергии, гибкой электроники и сенсорных устройств. Команда исследователей сосредоточилась на элементах на основе моносульфида олова (SnS) - нетоксичного и доступного материала, который идеально подходит для гибких солнечных панелей. До настоящего времени эффективность SnS-устройств оставалась низкой из-за проблем на границе контакта с металлическим электродом. В этой области возникали структурные дефекты, диффузия элементов и электрические потери, что существенно ограничивало возможности таких батарей. "Этот интерфейс был главным барьером для достижения высокой производительности", - отмечает профессор Джейонг Хо из Национального университета Чоннам. Для решения этих проблем ученые предлож ...>>

Электростатическое решение для борьбы с льдом и инеем 01.01.2026

Борьба с льдом и инеем на транспортных средствах и критически важных поверхностях зимой остается сложной и затратной задачей. Ученые из Virginia Tech разработали инновационную технологию, способную разрушать лед и иней без использования тепла или химических реагентов, что открывает новые возможности для безопасной и экологичной зимней эксплуатации транспорта. Исследователи обнаружили, что лед и иней образуют кристаллическую решетку с так называемыми ионными дефектами - заряженными участками, способными перемещаться под воздействием электрического поля. Эти дефекты являются ключом к управлению прочностью льда и его удалением с поверхностей. Когда на замерзшую поверхность подается положительный электрический заряд, отрицательные ионные дефекты притягиваются к источнику поля. Это вызывает разрушение кристаллической решетки льда, в результате чего часть льда буквально "отскакивает" от поверхности. Такой эффект позволяет удалять лед без применения внешнего тепла или химических средств ...>>

Случайная новость из Архива Космический зонд JUICE 14.04.2023 Европейское космическое агентство осуществило запуск ракеты Ariane 5 с космодрома Куру, Французская Гвиана. Тем самым был дан старт миссии по исследованию спутников Юпитера. Ракета вывела в космос 6-тонный космический аппарат Jupiter Ice Moons Explorer (JUICE). Это крупнейшая миссия ЕКА по изучению дальнего космоса. Космический корабль был построен компанией Airbus Defense & Space и обошелся в 1,5 млрд. евро. Идея миссии JUICE возникла после того, как зонды NASA Galileo и Cassini обнаружили, что некоторые спутники Юпитера и Сатурна покрыты льдом. Вероятно, они также содержат большие подповерхностные океаны, в которых может существовать микробная жизнь. "Следующим логическим шагом было возвращение на Юпитер с улучшенным оборудованием для детального изучения этих океанов", - сказал Николя Альтобелли, планетолог из Европейского космического агентства, участвовавший в разработке миссии JUICE. "И имея это в виду, мы хотели посмотреть, являются ли они возможными местами обитания для жизни". Космический корабль JUICE достаточно массивен, и ему потребуется несколько пролетов возле планет, чтобы накопить энергию для достижения системы Юпитера. После своего запуска JUICE трижды пролетит мимо Земли, а также Венеры, прежде чем выйти на орбиту вокруг Юпитера. Это случится только в 2031 году. Затем, с 2031 по 2034 год, он совершит почти три десятка облетов Ганимеда, Европы и Каллисто, подробно исследуя их ледяные поверхности. JUICE приблизится к некоторым космическим объектам на расстояние 200 км, что позволит лучше их рассмотреть. Корабль оборудован оптической камерой высокого разрешения, спектрометром, магнитометром и другими исследовательскими приборами. Среди научных целей миссии также называют понимание формирования спутников Юпитера, их развития и изменения, которые привели к отличиям друг от друга. В конце 2034 года, после совершения многих оборотов вокруг Юпитера, JUICE должен выйти на орбиту вокруг Ганимеда, где он останется еще на год. Это будет сложный маневр по выходу на орбиту спутника другой планеты. Как отмечает Николя Альтобелли, Ганимед - это очень интересный спутник с собственным магнитным полем и, вероятно, внутренним океаном. В ЕКА надеются "провести самый подробный анализ внутренней части луны".

Другие интересные новости:

▪ Брелок Tile Mate для контроля за вещами

▪ Крошечный сетевой процессор NXP Semiconductors QorIQ LS1012A

▪ Протоны тяжелее нейтронной звезды

▪ Система защиты от подделок на основе песка

▪ Подогрев сидений автомобиля - за подписку

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Истории из жизни радиолюбителей. Подборка статей

▪ статья Международное сотрудничество в области безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Почему на вершине горы прохладней? Подробный ответ

▪ статья Признаки перемены ненастной погоды на ясную. Советы туристу

▪ статья Прибор связиста. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Нормы испытаний электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей. Токи проводимости вентильных разрядников при приложении выпрямленного напряжения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025