Универсальный электронный балласт с теплым стартом для люминесцентных ламп Т8

Электронные балласты, они же ЭПРА (электронный пускорегулирующий аппарат), служат для розжига и поддержания рабочего режима газоразрядных ламп (в данном случае – люминесцентных). Преимущества электронного балласта перед обычным дросселем и стартером очевидны, это и отсутствие мерцаний ламп при запуске и более высокий коэффициент мощности и значительно более низкий коэффициент пульсаций светового потока (для сравнения: у лампы, включенной с обычным дросселем и стартером пульсации светового потока составляют порядка 40÷60%, с дешевым электронным балластом около 15%), а также более низкая стоимость и тд. В наше время, практически каждый люминесцентный светильник, будь то офисный или домашний, оснащен электронным балластом.

По схемотехнике существующие ЭПРА можно поделить на две группы. Первая – это балласты с холодным стартом, т.е. без предварительного подогрева катодов ламп. Представляют собой полумостовой преобразователь с автозапуском на двух мощных высоковольтных  транзисторах ZEN13007 и пассивным корректором мощности. Таких балластов подавляющее большинство. Некоторые самые дешевые модели, обычно китайского производства, могут не иметь даже входного помехоподавляющего фильтра и схемы защиты от перегрузок. Вторая группа – балласты с теплым стартом и активным корректором мощности. Построены они на специализированных микросхемах, например на распространённом семействе микросхем от International Rectifier IR2166, IR2168  и др. Отличаются очень низким коэффициентом пульсаций светового потока – 2÷5% и высоким коэффициентом мощности до 0,98. О варианте такого устройства и пойдет речь в этой статье. При его разработке стояла задача разработать универсальный балласт c теплым стартом для люминесцентных ламп Т8 с характеристиками, не уступающими дорогим промышленным образцам и возможностью подключения разного числа ламп различной мощности. В этом его основная отличительная особенность – семь конфигураций (вариантов) подключения ламп: 1х18 (1 люминесцентная лампа типа Т8 мощностью 18Вт), 1х36, 1х58, 2х18, 2х36, 3х18, 4х18. Все промышленные аналоги позволяют не более двух вариантов подключения, например 1х36 и 2х36. Схема устройства на приведена на рис.1

Рис.1. Схема универсального ЭПРА с теплым стартом на ICB1FL02G

Основные характеристики:
Входное переменное напряжение, В………………………………110÷250
Максимальный потребляемый ток (4 лампы по 18Вт), мА………330÷350
Коэффициент мощности (4 лампы по 18Вт), 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 построен на специализированной микросхеме-контроллере электронного балласта люминесцентных ламп – ICB1FL02G, разработанной фирмой Infineon, подробное описание работы микросхемы в  [1].  ICB1FL02G по сравнению с  IR2166 и IR2168 более функциональна, требует меньшего числа внешних элементов и как показала практика, более стабильна и надежна (это субъективное мнение автора). Работу схемы можно разделить на три этапа: предварительный прогрев катодов лампы, розжиг и рабочий режим. Предварительный прогрев реализован следующим образом. Сразу же после включения, тактовый генератор микросхемы начинает работать на частоте около 125кГц. Через 10мс его частота плавно уменьшится до 65кГц – это частота предварительного прогрева, которая задается резистором R13. Это значение гораздо выше резонансной частоты выходного балластного контура L2С16, поэтому, прикладываемое к катодам ламп напряжение будет недостаточным для их розжига. Начинается предварительный прогрев ламп, длительность которого задается резистором R14 и может быть выбрана от 0 до 2с (в данном случае выбрана 1с.). 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 силовые ключи VT2, VT3. Функция предварительного прогрева значительно, иногда в несколько раз, увеличивает срок службы люминесцентной лампы.  По истечении времени предварительного прогрева, в следующие 40 мс, частота тактового генератора микросхемы снова начнет понижаться. По мере ее приближения к резонансной частоте контура L2С16, напряжение, прикладываемое с обкладок конденсатора С16 к катодам ламп, начнет резко возрастать и при достижении 600÷800В произойдет розжиг. Если в этот момент времени напряжение на токовом резисторе R23 достигнет порога 0,8В, 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 повышать ее, что в свою очередь вызовет уменьшение напряжения на С16. Это делается с целью избежать чрезмерного скачка тока и напряжения на выходе преобразователя. При уменьшении падения напряжения ниже 0,8В на R23, частота вновь начнет понижаться. Этот процесс может повториться несколько раз, пока не будет получен сигнал об успешном розжиге.  Сигналом об успешном розжиге служит появление синусоидального тока амплитудой не более 2,5мА на выв. 13 D1 и напряжения трапецеидальной формы размахом не более 3,2В на выв.12 D1. Максимальное время розжига может составлять 235мс. В случае неудачного розжига ламп, микросхема перейдет в аварийный режим и прекратит коммутацию выходных ключей VT2 и VT3. При успешном розжиге, D1 перейдет в рабочий режим, частота тактового генератора опустится до рабочего значения, которое задается резистором R12. Все три этапа работы балласта: прогрев, розжиг и рабочий режим иллюстрирует осциллограмма на рис.2 (осциллограф подключен к контактам 3, 9 разъема XT2). На рис.3 осциллограмма напряжения в рабочем установившемся режиме с подключенными 4-мя 18Вт лампами. 

 
Рис.2. Прогрев, розжиг и рабочий режим

Рис.3. Рабочий режим

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 215мкА ток в цепи: плюс источника питания, R25…R29, нить лампы, R20…R17, внутренний датчик тока D1. 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. То есть 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, неисправный ламподержатель или перегорит одна из нитей, сопротивление цепи резко возрастет и выходной каскад перейдет в емкостной режим работы, что в свою очередь может вызвать резонанс. В этом случае напряжение на выв.12 D1 превысит уровень 1,6В и вызовет срабатывание защиты, балласт отключится. Также выводы 13 (LVS – Lamp Voltage Sense) и 12 (Res–restart) D1 служат для контроля подключения ламп в течение всего времени работы балласта. Если во время работы балласта вывернуть одну из ламп – балласт отключится.

Активный корректор мощности собран на элементах T1,VT1,VD2,C3. Его назначение – максимально приблизить форму потребляемого тока к форме напряжения, тем самым свести к минимуму реактивную мощность. Подробно принцип его работы описан в [1] и[2]. Особенность данного корректора – возможность работы как в режиме критической проводимости (Critical Conduction Mode – CCM), так и в режиме прерывистой проводимости (Discontinuous Conduction Mode – DCM). Делитель R8…R11С5 служит для контроля мгновенного значения напряжения питания и определения времени закрытия VT1. Вторичная обмотка Т1, подключенная через ограничивающий резистор R6 к выв.7 D1, необходима для определения момента, когда ток через Т1 достигнет нулевого значения. Как только это произойдет, на затвор VT1 будет подан открывающий импульс. Обе обмотки Т1 должны быть обязательно синфазны.

Питание микросхемы в первый момент времени осуществляется от цепочки R1…R3. В дальнейшем – от выходного каскада через стабилизатор С9С10R24VD4VD5C8.

Для подключения к балласту 4-х 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. При даже 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, так как 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 было установлено, что мощность Т2 должна составлять 8÷10% от общей мощности ламп и коэффициент трансформации должен быть 20÷30. При подключении к балласту ламп 1х18, 2х18, 1х36, трансформатор Т2 и разделительные конденсаторы С17, С20 и С21 необходимо удалить, чтобы избежать  приложения к лампам излишней мощности.

В документации [1] приводится расчет всех основных элементов балласта, за исключением расчета выходного контура L2C16. Элементы L2 и С16 рассчитывались следующим образом. Максимальная мощность ламп (4х18 или 2х36) составляет P=72Вт, рабочая частота выбрана f = 41кГц, частота розжига f_ign= 48кГц [1], с использованием теплого старта оптимальное напряжение розжига U_ign700В. Из соотношения энергии получим:

Из имеющихся был выбран конденсатор 6,8 нФ. Теперь определяем индуктивность L2:

С другой стороны индуктивность балластного дросселя должна соответствовать условию:

U_in – напряжение питания; U_lamp – рабочее напряжение на лампах, т.к. рабочее напряжение 18Вт лампы составляет около 56В, то U_lamp=4*56B=224B; t_on – время открытого ключа, при f = 41кГц, t_on 11,5мкс (согласно [1]); I_lamp  0,33A– рабочий ток ламп. Отсюда:

Определяем максимальный ток дросселя L2, он будет равен току конденсатора С16 в момент резонанса:

Выбираем подходящий по габаритной мощности сердечник, например EV25/13/13.

Оценим требуемый зазор g (mm):

S_L – площадь поперечного сечения сердечника, (m); для EV25/13/13 S_L = 75mm²; В – максимальная индукция, (Тл); L – индуктивность, (Гн); I_max – максимальный ток, (А).

Примем индукцию В = 0,22Тл. Имеем:

Рассчитаем число витков N дросселя L2:

где: A_L – индуктивность на виток (сердечник с зазором), (Г); A_L0 – индуктивность на виток (сердечник без зазора, справоч.), (Г); l_e – длина средней линии сердечника, (мм); µ_e – начальная магнитная проницаемость сердечника, справоч. Для сердечника EV25/13/13, материал N87: A_L0 = 2400 нГ, l_e = 59 мм; µ_e = 1520. Отсюда:

Проверим максимальную индукцию:

Дроссель намотан проводом 4х0,2мм. При возможности обмотку желательно разделить на секции.

Печатная плата балласта односторонняя, все выводные элементы на верхней стороне, smd – на нижней. Чертеж печатной платы на рис.4, рис.5. 3D модель печатной платы на рис.6. Фото готового устройства на рис.7, рис.8. Конденсатор С16 – металлопленочный, на напряжение 1600В. С17, С19, С10 – металлопленочные или дисковые керамические на 1000В. С20, С21 – 100В. Диоды VD2, VD3 – быстродействующие на обратное напряжение не менее 600В. VT1…VT3 можно заменить на SPP03N60C3 или аналогичные. Трансформатор Т1 намотан на сердечнике Е25/13/7, материал N27, немагнитный зазор 1.6мм. Первичная обмотка содержит 184 витка проводом 4х0.2мм, вторичная – 14 витков проводом 0.3мм. Т2 намотан на сердечнике 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 Т2 – 0.18мм. Частотозадающие резисторы R12…R14 желательно выбрать с допуском 0.5÷1%. Помехоподавляющий дроссель L1, любой стандартный с индуктивностью 20мГн и рассчитанный на ток не менее 0,5А. Правильно собранное устройство обычно начинает работать сразу и никаких настроек не требуется. 

Рис.4. Печатная плата, верхняя сторона.

Рис.5. Печатная плата, нижняя сторона (отзеркалено).

Рис.6. 3D модель печатной платы (Altium Designer).

Рис.7. Внешний вид готового балласта.

Рис.8. Внешний вид готового балласта.

Литература:

1. http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-ICB1FL02G-DS-v02_01-en.pdf.
2. http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2166.pdf

Лазарев В.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ЭПРА
• Altium Designer
• Освещение