Електронні баласти для трубчастих люмінесцентних ламп

1. Мал. 1. Енергоефективність електронних баластів
2. Мал. 2. Схема ЕПРА для світильника 2 х 40 (36) Вт
3. Мал. 3. Осцилограми напруги і споживаного струму
4. Мал. 4. Зміна робочої частоти і струму лампи в процесі запалювання
5. Таблиця 2. Основні технічні характеристики ЕПРА
6. Мал. 5. Зовнішній вигляд ЕПРА для світильників 2 х 40 (36) Вт

Д. Панфілов, В. Поляков, Ю. Поляков, А. Баришніков

Трубчасті люмінесцентні лампи, завдяки підвищеній енергоефективності та своїй властивості створювати розсіяне світло, є ідеальними для освітлення великих відкритих приміщень. Вони знайшли масове використання для внутрішнього освітлення в промислових, громадських і комерційних будівлях. Однак якість освітлення і тривалість терміну служби люмінесцентної лампи залежать від пристрою, що забезпечує її запалювання та підтримання робочого режиму. Традиційно електроживлення ламп проводиться струмом мережевої частоти 50 Гц від електромагнітних пускорегулювальних апаратів (ПРА), в яких висока напруга для запалювання отримують від реактора після розмикання біметалічного ключа, що забезпечує протікання через себе струму розжарення електродів при замкнутому стані контактів.

Електромагнітні пускорегулюючі апарати через своїх відомих недоліків (мерехтливого світла, нестабільності освітленості при коливаннях напруги мережі, підвищеного рівня шуму, низького коефіцієнта потужності, відсутність можливості управління світлом) не дозволяють в повній мірі розкрити всі можливості освітлення з використанням люмінесцентних ламп. Усунути ці недоліки і отримати додаткові можливості енергозбереження дозволяють електронні пускорегулюючі апарати (ЕПРА), друга назва яких - електронні баласти. Сучасні електронні баласти забезпечують:

• миттєве (без мерехтінь і шуму) запалювання ламп;
• комфортне освітлення (приємний немерехтливе світло без стробоскопических ефектів і відсутність шуму) завдяки роботі в високочастотному діапазоні;
• стабільність освітлення незалежно від коливань напруги;
• відсутність спалахів і спалахів несправних ламп, які відключаються електронною системою контролю несправностей;
• висока якість споживаної електроенергії - близький до одиниці коефіцієнт потужності завдяки споживанню синусоїдального струму з нульовим фазовим зрушенням.

Електронні баласти є досить дорогими пристроями, однак початкові витрати компенсуються їх високою економічністю, яка характеризується:

• зменшеним на 20% енерго-споживанням (при збереженні світлового потоку) за рахунок підвищення світловіддачі лампи на підвищеній частоті і більш високого ККД ЕПРА в порівнянні з електромагнітним ПРА;
• збільшеним на 50% терміном служби ламп завдяки щадному режиму роботи і пуску;
• зниженням експлуатаційних витрат за рахунок скорочення числа замінних ламп і відсутності необхідності заміни стартерів;
• додатковим енергозбереженням до 80% при роботі в системах управління світлом.

Енергоефективність електронних баластів ілюструється діаграмою, наведеною на рис. 1. Переваги електронних пускорегулювальних апаратів в порівнянні з електромагнітними роблять привабливим їх використання для споживача.

Мал. 1. Енергоефективність електронних баластів

Електронні баласти виробляються в масовій кількості і мають високий попит на Заході, де інтенсивно впроваджуються енергозберігаючі технології. В даний час електронні баласти знаходять зростаюче застосування у виробах провідних електротехнічних і світлотехнічних фірм OSRAM, PHILIPS, GENERAL ELECTRIC, SYLVANIA, TRIDONIC, MOTOROLA LIGHTING і ін. В Росії також зростає інтерес до електронних баластом як у споживачів, так і у виробників світлотехнічної продукції. Роботи з освоєння виробництва елементної бази та електронних баластів для трубчастих ламп ведуться поруч російських фірм: АТ Трансвит (м Новгород), АТ Іскра (м Ульяновськ), НПК НЦ (м Зеленоград), АТ Елекс-Електрик (м Александров) , НВЦ ЗВТ (г. Брянск), ДП "Нижегородський завод ім. М.В. Фрунзе "та іншими пред-ємствами. З ближнього зарубіжжя особливо слід відзначити АТ Енеф (м Молодечно), що випускає відносно широкий спектр електронних баластів і світильників для трубчастих ламп. Перспективи ринку залучають до проблем розробки електронних баластів значна кількість фахівців, що мають досвід в проектуванні перетворювальних пристроїв.

Сучасний етап розвитку техніки характеризується інтенсивною розробкою та впровадженням мікропроцесорів і спеціалізованих контролерів для керування технічними засобами. Провідні позиції в створенні спеціалізованих мікросхем для електронних баластів займають фірми Motorola і International Rectifier. На сторінках цієї статті автори хочуть поділитися власним досвідом розробки електронних баластів на основі електронних компонентів цих компаній.

Розроблені пристрої є перетворювачами струму мережевої частоти в струм підвищеної частоти і містять необхідні вузли для підтримки оптимального режиму запалювання і роботи лампи, а також пристрої контролю працездатності ламп і засоби захисту від аномальних режимів. Модифікації ЕПРА мають можливість роботи з пристроями управління світлом. Електронні баласти, призначені для установки в дволампове світильники 2ґ40 (36) Вт, 2ґ20 (18) Вт, виконані за схемою, представленої на рис. 2, і містять такі вузли: мережевий вузол захисту, мережевий фільтр, випрямляч, коректор коефіцієнта потужності, інвертор, вузол захисту, модуль управління.

Мал. 2. Схема ЕПРА для світильника 2 х 40 (36) Вт

При розробці враховувалися особливості люмінесцентних ламп, що є навантаженням перетворювача [1,2], і вимоги ГОСТ [3,4].

1. Застосування активного коректора коефіцієнта потужності вирішує проблеми сумісності з мережею живлення. Коректор виконаний за схемою підвищувального імпульсного перетворювача на потужному МОП-транзисторі MTP3N60E, управління яким здійснюється від спеціалізованої інтегральної мікросхеми МС33262 фірми Motorola [5], що забезпечує енергоспоживання з коефіцієнтом потужності в но-номінальних режимі на рівні 0,98. Коректор коефіцієнта потужності формує квазісінусоідальние ток в реакторі, включеному на виході випрямляча, а мережевий фільтр знижує рівень високочастотних гармонік в споживаної струмі. Як видно з представлених в табл. 1 даних, коефіцієнт потужності має високе значення при всіх можливих режимах в діапазоні через трансформаційних змін напруги 220 В ± 15%. Осцилограми напруги і споживаного струму наведені на рис. 3. Другим позитивним властивістю застосування коректора є висока стабільність освітленості при зміні напруги мережі за рахунок стабілізації напруги в проміжній ланцюга постійного струму. Напруга живлення інвертора стабілізується на рівні 400 В, що забезпечує високу стабільність вихідних параметрів при коливаннях напруги. Як видно з табл. 1, струм лампи залишається незмінним при коливаннях напруги від 190 до 250 В.

   

   Мал. 3. Осцилограми напруги і споживаного струму

   Таблиця 1. Результати випробувань ЕПРА

   Напруга мережі U, В Потужність РК, Вт Напруга на лампі UH, B Струм лампи IH, A Струм IC, A Коефіцієнт потужності ЕПРА 2 х 40 Вт 220 85 107 0,37 0,39 0,98 250 85 107 0, 37 0,35 0,98 190 85 107 0,37 0,46 0,97 ЕПРА 2 х 20 Вт 220 42 57 0,35 0,19 0,98 250 42 57 0,35 0,17 0,98 190 42 57 0,35 0,23 0,97
   
2. Мережевий фільтр крім згладжування високочастотних пульсацій споживаного струму, що виникають при роботі активного коректора коефіцієнта потужності, здійснює придушення радіоперешкод, що генеруються ЕПРА. Наявність актив-ного коректора і мережевого фільтра забезпечило виконання стандарту МЕК IEC 1000-3-2, жорстко регламентує рівень вищих гармонійних складових споживаного струму.
   На вході мережевого фільтра включений традиційний вузол захисту від мережевих перенапруг, що включає варістор і запобіжник. Сполучений послідовно з запобіжником терморезистор з негативним температурним коефіцієнтом опору обмежує кидок вхідного струму, обумовлений зарядом ємнісного фільтра на вході інвертора при підключенні ЕПРА до мережі.
3. Регульований високочастотний інвертор живить лампи струмом підвищеної частоти. Інвертор виконаний на силових МОП-транзисторах МТР6N60E для варіанту 2ґ40 (36) Вт і MTP3N60E для варіанту 2ґ20 (18) Вт. Для управління силовими МОП-транзисторами інвертора використовується спеціалізована інтегральна мікросхема високовольтного драйвера IRF2155 [6], що забезпечує надійний запуск і стабільну роботу ЕПРА в широкому діапазоні температур.
   Тривалість попереднього прогріву електродів визначається времязадающей ланцюгом модуля управління, а струм - частотою і параметрами резонансного контуру. Робоча частота f в процесі запалювання лампи управляється, як це показано на рис. 4, залишаючись незмінною на ділянці t0-t1 і плавно зменшуючись до частоти, близької до резонансної f0, на ділянці t1-t2. Мінімальна частота модуляції інвертора визначається времязадающей ланцюгом, що включає резистор R1 і конденсатори С1 і С2. Максимальна частота відповідає стану, при якому конденсатор С1 від'єднаний від загальної шини живлення. Регулювання частоти проводиться керуючим модулем шляхом зміни умови заряду конденсатора С1.
   Регулювання світла здійснюється зміною частоти модуляції інвертора від 40 до 75 кГц. Модуль управління забезпечує потенційну розв'язку і перетворення стандартного сигналу управління в напругу, що впливає на вузол управління частотою перемикання транзисторів інвертора. Для управління використовується ШІМ-модульований сигнал згідно ГОСТ Р МЕК 929-98.
   

   

   Мал. 4. Зміна робочої частоти і струму лампи в процесі запалювання

4. Вузол захисту контролює стан ламп і забезпечує відключення електроживлення при їх відсутності і несправності. Здійснюється стеження за струмом, що споживаються інвертором і напругою на кожній з ламп. При перевищенні заданого рівня струму або напруги протягом певного часу, а також при обриві контуру навантаження відбувається спрацьовування захисту. Як виконавчий елемент вузла захисту використовується тиристор. Він замикає ланцюг харчування високовольтного драйвера, напруга живлення на виведенні 1 опускається нижче порога 8 В, що призводить до припинення подачі відмикає напруги на МОП-транзистори і їх виключення. Тиристор утримується у відкритому стані струмом, замикається через баластний резистор. При цьому опір баласту таке, що струм тиристора перевищує довідкове значення струму утримання і залишається у включеному стані до зняття пі-тане напруги з ЕПРА.
5. Харчування вузлів управління ЕПРА, включаючи мікросхеми IR2155 і MC33262, здійснюється від мережевого випрямляча через баластний резистор. Істотно скоротити його потужність, поліпшивши ККД електронного баласту, дозволило використання струму згладжує RC-ланцюга (ланцюга снаббера), підключеної до точки з'єднання транзисторів інвертора, для живлення системи управління. Схема побудована таким чином, що на початковому етапі запускається система управління інвертором і далі, з невеликою затримкою, ланцюг харчування MC33262. Після запуску мікросхеми коректора коефіцієнта потужності підживлення її ланцюга харчування походить від додаткової обмотки реактора підвищуючого перетворювача [6].
   

Основні технічні характеристики електронних баластів наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Основні технічні характеристики ЕПРА

ЕПРА має малу масу і відносно невеликі габарити, замінюючи два дроселя, два стартера і конденсатори для компенсації реактивної потужності і зниження стробоскопічного ефекту. Зовнішній вигляд електронного баласту для світильників 2ґ40 (36) Вт наведено на рис. 5.

Мал. 5. Зовнішній вигляд ЕПРА для світильників 2 х 40 (36) Вт

Досвід роботи показує, що при проектуванні ЕПРА на інтегральних мікросхемах і силових МОП-транзисторах слід дотримуватися рекомендацій фірм - розробників мікросхем і деяких правил, виконання яких дозволяє уникнути зайвого марнотратства і скоротити терміни розробки. Багато наведені нижче рекомендації здадуться очевидними для досвідченого розробника, проте можуть виявитися корисними для початківців фахівців.

Перешкодозахищеність. Спільними методами і засобами підвищення перешкодозахищеності є: правильна розводка друкованої плати, виключно утворення сі-лового контуру великої площі і забезпечує протікання струму з високим значенням di / dt по провідникам мінімальної довжини; підключення паралельно електролітичним конденсаторам конденсаторів з малою внутрішньою індуктивністю і їх установка в безпосередній близькості від переключающих силових транзисторів; установка керамічних конденсаторів безпосередньо на висновки харчування керуючих мікросхем; мінімальна довжина провідників від витоку і затвора силового МОП-транзистора до висновків керуючої мікросхеми.

Для підвищення перешкодозахищеності високовольтного драйвера IR2155 слід прийняти ряд додаткових заходів. Установка резисторів в ланцюзі затвора силових транзисторів, а також використання згладжує RC-ланцюга на виході інвертора, усуває можливість спрацьовування (замикання) паразит-ного тиристора в структурі КМОП драйвера затвора за рахунок зниження рівня паразитних ємнісних струмів, пропорційних швидкості зміни напруги на силових транзисторах в режимах перемикання. Одночасно для захисту транзистора від самовключення паралельно резистору в ланцюзі затвора рекомендується підключити діод [6]. Конденсатор згладжує RC-ланцюга повинен бути розрахований таким чином, щоб його повний перезаряд забезпечувався вихідним струмом інвертора за час паузи між відчиняю чого імпульсу верхнього і нижнього транзисторів. Це час незмінно і становить 1,2 мкс.

Однак і ці заходи виявляються недостатніми, якщо в процесі роботи електронного баласту виникає режим, при якому навантаження має ємнісний характер. Цей режим відповідає роботі на частоті f нижче резонансної f0 і можливий при неправильному розрахунку частоти модуляції, параметрів резонансного контуру (індуктивності реактора і ємності пускового конденсатора) або збої в системі управління. Він проявляється на етапі запалювання лампи або при аварійному режимі, що приводить до виникнення на виході інвертора контуру з високою добротністю. На відміну від сприятливого режиму (при індуктивному характері навантаження), коли у включеному стані транзистор замикає на себе струм після його переходу з власного діода, а заряд і розряд конденсатора згладжує RC-ланцюга здійснюється вихідним струмом інвертора, при ємкісному характері навантаження транзистор включається на струм навантаження, одночасно здійснюючи через свою структуру розряд конденсатора згладжує RC-ланцюга і розряд власної ємності втік-витік. Такий режим характеризується зростанням динамічних втрат в силових транзисторах, високою швидкістю зміни напруги на транзисторах і, відповідно, високим рівнем ємнісних струмів, що веде до зниження перешкодозахищеності керуючої мікросхеми. Погіршує становище аварійний режим, що супроводжується багаторазовим зростанням струму навантаження по відношенню до номінального і зростанням перенапруг на паразитних індуктивностях. Як правило, цей режим веде до виходу з ладу керуючої мікросхеми і силових МОП-транзисторів. З огляду на викладені вище негативні явища, розробники повинні правильним розрахунком схеми і побудовою системи управління забезпечити роботу інвертора в безпечної області.

Полегшеним варіантом наведеного вище режиму є режим холостого ходу. Однак електронний баласт не може довго працювати в цьому режимі через високі динамічних втрат в МОП-транзисторах, що призводять до неприпустимого зростання температури напівпровідникової структури. Пристрій захисту має контролювати появу цього режиму, припиняти генерацію керуючого напруги, забезпечуючи надійне замикання силових транзисторів.

Рівень генеруються радіоперешкод. Джерелом створюваних ра-діопомех є силові транзистори інвертора і коректора коефіцієнта потужності. Тому доцільно по можливості знизити швидкості зміни напруги на них шляхом використання згладжують RC і RCD-ланцюгів, наприклад, як це показано на рис. 2. Найбільш потужним джерелом радіоперешкод є транзистор коректора коефіцієнта потужності. При цьому можлива поява резонансних явищ на частоті модуляції ключа. Тому наявність складного мережевого фільтра для згладжування струму і придушення симетричних перешкод є виправданим. Як показує досвід, слід прагнути до можливо більшої індуктивності реактора, що згладжує фільтра, уникаючи його насичення у всьому діапазоні зміни вхідного струму.

Стійкість системи. Коректор коефіцієнта потужності є найбільш насіченім за кількістю зворотних зв'язків. Є ланцюга контролю вхідної та вихідної напруги. Здійснюється стеження за амплітудою струму в реакторі з використанням датчика струму в ланцюзі витоку силового транзистора, а також контролюється момент зниження струму реактора до нульового рівня. Стійкість коректора, а також форма кривої споживаного струму залежать від значення і рівня пульсацій напруги в проміжній ланцюга постійного струму (ланцюга харчування інвертора) і значення напруги. Для забезпечення стійкості системи при роботі в діапазоні мережевих напруг до 250 В слід підвищувати рівень постійної напруги на виході коректора до рівня 400-420 В при утриманні співвідношення між ємністю конденсатора фільтра і потужністю електронного баласту на рівні не нижче 1 мкФ / Вт.

В даний час з'явилося нове покоління спеціалізованих контролерів для електронних баластів більш високого ступеня інтеграції. До них відносяться інтегральні мікросхеми IR2157 фірми International Rectifier і MC33157DW фірми Motorola. Мікросхеми, як і IR2155, призначені для управління МОП-транзисторами інвертора електронного баласту. Однак інтегрована система захисту від аномальних режимів, захист від роботи при зниженому мережевій напрузі і роботи на частотах нижче резонансної, інтегрована система пуску і автоматичного перезапуску, можливість регулювання затримки імпульсів управління силовими транзисторами і ряд інших вбудованих функцій істотно спрощують процес розробки і роблять привабливими ці мікросхеми для фахівців, які проектують електронні баласти [7,8].

Автори висловлюють подяку фірмі Hewlett-Packard за обладнання (осцилограф HP 54645D і генератор сигналів НР 33120А), яке було надано кафедрі "Промислової електроніки" МЕІ і використано в процесі проведення розробки електронних баластів.

література

1. Рохлін Г.Н. Розрядні джерела світла. - 2-е изд., Перераб. і доп. - М .: Вища школа. - 1991. - 720 с.
2. Краснопільський А.Є. та ін. Пускорегулюючі апарати для розрядних ламп / А.Є. Краснопільський, В.Б. Соколов, А.М. Троїцький. За заг. ред. А.Е. Краснопільського. - М .: Вища школа. - 1988. - 206 с.
3. ГОСТ Р МЕК 928-98. Апарати пускорегулюючі електронні, що живляться від джерел змінного струму, для трубчастих люмінесцентних ламп. Загальні вимоги та вимоги безпеки.
4. ГОСТ Р МЕК 929-98. Апарати пускорегулюючі електронні, що живляться від джерел змінного струму, для трубчастих люмінесцентних ламп. Вимоги до робочих характеристик.
5. Energy efficient semiconductors for lighting. BR480 / D rev 1., Motorola, 1997, 88 p.
6. Силові напівпровідникові прилади. International Rectifier. Книга по застосуванню. Пер. з англ. під ред. В.В. Токарєва. - Воронеж: Видавництво ТОО МП "Еліста". - 1995. - 661 с.
7. http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2157.pdf .
8. http://mot2.mot-sps.com/books/dl128/pdf/mc33157DW.pdf .
9. Панфілов Д.І., Поляков В.Д., Поляков Ю.Д., Баришніков А.Н. Елект-ронний пускорегулюючі апарати для дугових натрієвих ламп // Chip News. - 1999. - № 4. - С. 29-31.