Описываются принцип построения и работа электронного балласта для питания люминесцентных осветительных ламп. Подробно рассказано о практической реализации электронного балласта на базе микросхемы IR2151 фирмы International Rectifier.

Электронный балласт на IR2151 [1, 2] имеет ряд значительных преимуществ не только перед другими узлами питания люминесцентных ламп (классические стартерные, питание постоянным током), но и перед электронными балластами, реализованными на дискретных элементах [3, 4], а именно:

• простота реализации;

• отсутствие сложных намоточных изделий (трансформаторов);

• высокая повторяемость;

• отсутствие необходимости настройки.

Классические электромагнитные пускорегулирующие аппараты имеют известные недостатки:

• мерцание с частотой 100 Гц, (лампа питается переменным напряжением низкой частоты и при переходе сетевого напряжения через нуль газ успевает деионизироваться, что воспринимается глазом как характерное мерцание);

• нестабильность освещенности при колебаниях напряжения сети;

• громоздкий дроссель и ненадежный стартер, а вышедший из строя стартер вызывает фальш-старт лампы (визуально — несколько вспышек перед стабильным зажиганием), в свою очередь, фальш-старт резко снижает срок службы люминесцентной лампы;

• повышенный уровень шума;

• низкий коэффициент мощности.

Эти недостатки не позволяют в полной мере раскрыть все возможности освещения с использованием люминесцентных ламп. А они довольно значительные по сравнению с классическими лампами накаливания - гораздо более высокий КПД (прямая экономия денежных расходов на электроэнергию), приближенный к естественному спектральный состав света, особенно при использовании ламп нового поколения с трех- и пятислойным люминофором, повышенный срок службы [4].

Устранить эти недостатки и получить дополнительные возможности энергосбережения позволяют электронные балласты (электронные пускорегулирующие аппараты ЭПРА).

Современные электронные балласты обеспечивают:

• мгновенное (без мерцания и шума) зажигание ламп;

• комфортное освещение (приятный немерцающий свет без стробоскопических эффектов и отсутствие шума) благодаря работе в высокочастотном диапазоне (20... 100 кГц);

• стабильность освещения независимо от колебаний сетевого напряжения;

• отсутствие миганий и вспышек неисправных ламп, отключаемых электронной системой контроля неисправностей;

• высокое качество потребляемой электроэнергии — близкий к единице коэффициент мощности благодаря потреблению синусоидального тока с нулевым фазовым сдвигом.

Электронные балласты являются достаточно дорогими устройствами, однако начальные затраты компенсируются их высокой экономичностью, которая характеризуется:

• уменьшенным на 20 % энергопотреблением (при сохранении светового потока) за счет повышения светоотдачи лампы на повышенной частоте и более высокого КПД ЭПРА по сравнению с классическими электромагнитным ПРА;

• увеличенным на 50 % сроком службы ламп благодаря щадящему режиму работы и пуска;

• снижением эксплуатационных расходов за счет сокращения числа заменяемых ламп и отсутствия необходимости замены стартеров;

• дополнительным энергосбережением до 80 % при работе в системах управления светом.

Общая структурная схема электронного балласта показана на рис. 1.

Рис.1.

Рассмотрим принцип его работы. На структурной схеме электронного балласта точка А подключается с помощью ключей SA1 и SA2 поочередно к выходу фильтра напряжения питания +310 В и к общему проводу. В результате в этой точке возникают однополярные импульсы напряжения (частота коммутации обычно находится в пределах 20... 100 кГц), которые, во-первых, зажигают лампу, а во-вторых, не дают газу деионизироваться (отсутствие мерцания).

При таком методе пуска и управления сокращаются размеры индуктивного элемента, а регулировкой скважности импульсов коммутации можно добиться изменения яркости свечения. Чтобы зажечь лампу, нужно разогреть ее электроды. Поскольку в данном варианте электронного балласта отсутствует стартер, необходимо каким-то образом первоначально замкнуть силовую цепь, чтобы протекающий ток разогрел электроды, а затем отключить цепь пуска.

В лампах небольшой мощности (единицы Вт) первоначальное замыкание цепи можно осуществить при помощи конденсатора С1. Однако это решение достаточно противоречиво, поскольку для разогрева желательно иметь как можно большее значение емкости и в то время как для обеспечения хорошего резонансного эффекта выбирать эту емкость слишком большой нельзя.

Разработчики поступили следующим образом. Они включили параллельно конденсатору термистор с положительным температурным коэффициентом РТС — позистор. В холодном состоянии сопротивление позистора мало, и ток разогревает электроды лампы. Вместе с электродами разогревается и позистор.

При определенной температуре сопротивление позистора резко повышается, цепь разрывается, и лампа зажигается. Позистор шунтируется низким сопротивлением горящей лампы. Использование позистора позволяет лампе зажигаться плавно и снижает износ электродов, что продлевает срок службы лампы до 20000 часов. Самые первые электронные балласты работали в автогенераторном режиме и собирались из дискретных элементов (см., например, [3, 4]).

Однако это оказалось крайне неудобным из-за наличия нескольких сложных намоточных элементов — трансформаторов, больших габаритов печатных плат, низкой надежности, сложности настройки. Поэтому ведущие фирмы-разработчики выпустили микросхемы управления балластами. Первое поколение микросхем требовало наличия внешних силовых транзисторов, в современных модификациях силовые ключи интегрированы в один корпус с цепями управления. Такие балласты довольно миниатюрны и могут поместиться в цоколе лампы, вворачиваемой в резьбовой патрон.

Лампы со встроенным балластом уже выпускаются серийно, их можно приобрести в отечественных магазинах, но цена таких осветительных приборов по сравнению с лампами накаливания высока (3...8 долл.). Скорее всего, цена будет падать с течением времени, когда рынок новых люминесцентных ламп насытится. Но не следует ожидать, что цена таких ламп сравняется с ценой обычных ламп накаливания. Выигрыш здесь может быть только за счет увеличенного срока службы и пониженного потребления электроэнергии.

Совсем недавно появилось второе поколение микросхем управления электронными балластами, обладающее многими сервисными и защитными функциями. К сожалению, отечественные разработки таких микросхем находятся в зачаточном состоянии, поэтому можно рассказывать лишь о том, как преуспели на этом рынке зарубежные фирмы-производители силовой электроники. Фирма International Rectifier [1] производит микросхемы серии IR215x, требующие внешних силовых транзисторов, и микросхемы IR51Hxx с интегрированными силовыми ключами [5].

Фирма SGS-Thomson производит микросхемы L6569, L6571, L6574, Motorola — МС2151, MC33157DW, фирма Unitrode (Texas Instilments) — UC3871, UC3872. Микросхемы имеют специальную цепь управления затвором верхнего ключевого транзистора, защиту от сквозных токов (пауза 1,2 мкс), узлы стабилизации внутреннего питания и защиту от пониженного напряжения сети.

Кроме того, в новом поколении микросхем IR2157 и IR2159 реализованы следующие возможности:

• установка времени прогрева накальных электродов;

• установка скорости зажигания лампы за счет введения плавающей задающей частоты;

• установка задержки включения силовых ключей;

• переход в защитный режим в момент отказа лампы;

• защита при перегорании накальных электродов и контроль наличия вставленной лампы;

• защита от зажигания на частоте ниже резонансной;

• защита от падения сетевого напряжения;

• автоматический перезапуск при кратковременном пропадании сетевого напряжения;

• защита от перегрева кристалла.

Рис.2.

Для упрощения и ускорения проектирования новых поколений электронных балластов для ламп разной мощности и типа разработаны как детальные рекомендации (Reference Designs) [7], так и ПО САПР IRPLBDA2 (International Rectifier Lighting Ballast Design Software v.2,[8]), обеспечивающее на пяти шагах почти полную автоматизацию проектирования вплоть до перечня элементов и рисунка печатной платы.

САПР сегодня поддерживает 36 типов ламп и семь различных конфигураций балласта, а также дает возможность добавлять новые.

Более 20-ти параметров, включая частоту, напряжение, ток и номиналы компонентов выбираются пользователем.

Программа при необходимости проектирует катушку индуктивности электронного балласта. IRPLBDA2 работает под Windows95 и старше и бесплатно доступна [9].

Рассмотрим электронный балласт на микросхеме IR2151, структурная схема которой приведена на рис. 2.

Основные параметры микросхемы IR2151:

• максимальное напряжение на выводе UB относительно общего провода — 600В;

• напряжение питания Ucc — 15В;

• ток потребления Icc — 5...10 мА;

• максимальный ток управления I0+/ — 100 мА/210 мА;

• время включения (ton) — 80 нс;

• время выключения (toff) — 40 нс;

• пауза коммутации (задержка) — 1,2 мкс.

Рис.3.

Принципиальная схема электронного балласта, выполненного на основе IR2151, изображена на рис. 3.

Микросхема IR2151 — это драйвер мощных полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) с внутренним генератором, аналогичным генератору на таймере серии 555 (отечественный аналог КР1006ВИ1), работающий непосредственно от сетевого выпрямителя через гасящий резистор R1. Внутренний стабилизатор напряжения предотвращает превышение Ucc выше 15,6В, а блокировка по пониженному напряжению выключает оба выхода управления затворами VT1 и VT2, когда напряжение Ucc падает ниже 9 В.

DA1 имеет два управляющих выхода (7 и 5), нижний (5) — для управления VT2 и верхний (7) — "плавающий" выход для управления VT1. При управлении силовыми ключами VT1 , VT2 IR2151 обеспечивает задержку коммутации продолжительностью 1 ,2 мкс для предотвращения протекания сквозного тока через транзисторы VT1 и VT2.

Данный балласт рассчитан на питание одной лампы мощностью 40 Вт от сети переменного тока 220В, 50 Гц. При необходимости он может использоваться для питания двух ламп по 40 Вт. Для этого следует добавить элементы EL2, L3, С11, RK3. При использовании ламп мощностью 1 3. . .20 Вт индуктивность дросселя L2 должна быть 1,6... 1,45 мГн соответственно, а номинал резистора R2 должен выбираться из условия соответствия частоты генератора резонансной частоте балласта.

Напряжение сети 220В поступает на сетевой фильтр, образованный элементами С1, L1, С2, СЗ. Необходимость его установки вызвана тем, что ключевые преобразователи являются источниками электромагнитных помех, которые сетевые провода излучают в окружающее пространство как антенны. Действующие российские и зарубежные стандарты нормируют уровни радиопомех, создаваемых этими устройствами. Хорошие результаты дают двухзвенные LC-фильтры и экранировка всей конструкции.

На входе сетевого фильтра включен традиционный узел защиты от сетевых перенапряжений и импульсных помех, включающий варистор RU1 и предохранитель FU1. Терморезистор RK1 с отрицательным температурным коэффициентом (NIC) ограничивает бросок входного тока, обусловленный зарядом емкостного фильтра С4 на входе инвертора при подключении электронного балласта к сети. Далее напряжение сети выпрямляется диодным мостом VD1 и сглаживается конденсатором С4 . Цепочка R1C5 служит для питания микросхемы DA1.

Частота внутреннего генератора Fr микросхемы задается элементами R2 и С6 в соответствии с формулой:

Резонансная частота балласта РБ определяется индуктивностью катушки L2 и емкостью конденсатора С10 в соответствии с формулой:

Для обеспечения резонанса требуется выполнение условия РБ = Fr, в нашем случае это условие выполняется. Цепочка VD2C7 обеспечивает питание цепи формирования управляющего сигнала для транзистора VT1. Элементы R5, С9 (цепь снаббера) предотвращают защелкивание (срабатывания паразитного тиристора в структуре КМОП драйвера) выходных каскадов микросхемы. R3, R4 — ограничительныерезисторы, они ограничивают наведенные токи и тоже предохраняющие выходные каскады микросхемы от защелкивания [6]. Увеличивать в больших пределах сопротивление этих резисторов не рекомендуется, т. к. это может привести к затягиванию закрывания ключевых транзисторов.

Конструкция и детали. Дроссель сетевого фильтра L1 намотан на ферритовом кольце К32х20х6 М2000НМ двухжильным сетевым проводом до полного заполнения окна. Возможна замена на дроссель ДФ-110ПЦ от блока питания телевизора.

Дроссель электронного балласта L2 выполнен на Ш-образном магнитопроводе из феррита М2000НМ. Типоразмер сердечника Ш5х5, зазор 0,4 мм. Ширина зазора в нашем случае — это толщина прокладки между рабочими поверхностями половинок магнитопровода. Возможна замена на Ш6х 6 (зазор 0,5 мм); Ш7х7 (зазор 0,8 мм).

Для формирования зазора необходимо подложить прокладки из немагнитного материала (нефольгированный стеклотекстолит или гетинакс) между рабочими поверхностями половинок магнитопровода и скрепить эпоксидным клеем. От величины немагнитного зазора зависит индуктивность дросселя (при постоянном числе витков). При уменьшении зазора индуктивность возрастает, при увеличении — уменьшается. Уменьшать величину зазора не рекомендуется, т. к. это приводит к насыщению сердечника.

Типоразмер сердечника	Основные размеры сердечника, мм.						Длина магнитной линии Is, мм	Площадь поперечного сечения Sc,мм2
	L	Н	s	Io	Ii	h
Ш2,5 х 2,5	10	5	2,5	2,5	2	3,2	21,5	7,63
Ш3 х З	12	6	3	3	2,5	4	26,4	10,5
Ш4 х 4	16	8	4	4	3,2	5,2	34,5	19,3
Ш5 х 5	20	10	5	5	4	6,5	43,1	30
Ш6 х 6	24	12	6	6	5	8	52,9	42,4
Ш7 х 7	30	15	7	7	6	9,5	62,9	62
Ш8 х 8	32	16	8	8	7,5	11,5	75,1	69,2
Ш10 х 10	36	18	10	10	8	13	83,8	100
Ш12 х 15	42	21	15	12	9	15	96,7	180
Ш16 x 20	54	27	20	16	11	19	123	321
Ш20 х 28	65	32,5	28	20	12	22	144	577

Таблица 1.

При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечет за собой пропорциональное уменьшение индуктивности. Снижение индуктивности вызывает ускоренный рост тока через дроссель, его нагрев и выход из строя.

Ускоренно нарастающий ток через дроссель также вызывает ударные токовые перегрузки силовых ключей VT1, VT2, повышенные омические потери в ключах, их перегрев и преждевременный выход из строя.

Основные размеры Ш-образных сердечников (рис. 4) приведены в табл. 1.

Обмотка дросселя L2 — 143 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,31 мм. Межслойная изоляция — лакоткань. Намотка — виток к витку.

Зависимость индуктивности дросселя L2 от числа витков для различных сердечников (Ш5х5, Ш6х6, Ш7х7) приведена в табл. 2.

Измерения индуктивности дросселя L2 производились цифровым прибором Е7-8.

Транзисторы VT1, VT2 — IRF720 -мощные полевые с изолированным затвором (MOSFET) с параметрами:

• постоянный ток стока (ID) — 3,3А;

• импульсный ток стока (IDM) — 13А;

• максимальное напряжение сток-исток (VDS) - 400В;

• максимальная рассеиваемая мощность (PD) — 50Вт;

• диапазон рабочих температур (Tj) — -55...+150 °С;

• сопротивление в открытом состоянии — 1,8 Ом;

• общий заряд затвора (Q ) — 20 нКл;

• емкость затвор-сток (CrsJ — 47 пФ.

Возможные замены: IRF730, IRF740, IRF830, IRF840, BUZ90, КП726, КП728, КП751А, КП768В (Д, Ж, К), КП770Д.

Ш5 х 5, зазор 0,4 мм, диаметр провода 0,31 мм		Ш6 х 6, зазор 0,5 мм, диаметр провода 0,35 мм		Ш7 х 7, зазор 0,8 мм, диаметр провода 0,45 мм
N	L, мГн	N	L, мГн	N	L, мГн
120	0,848	130	1,09	120	1,04
130	1,01	140	1,29	130	1,17
140	1,18	150	1,50	135	1,22
150	1,35	160	1,73	140	1,36
155	1,43	170	2,00	150	1,58
160	1,54	—	—	160	1,77
170	1,73	—	—	170	2,01
180	1,95	—	—	—	—
200	2,41	—	—	—	—

Таблица 2.

Транзисторы установлены на небольшие пластинчатые радиаторы. Длина проводников между выходами драйвера 5, 7, резисторами R3, R4 и затворами полевых транзисторов должна быть минимальной.

Диодный мост VD1 - импортный RS207, допустимый прямой ток 2А, обратное напряжение 1000 В. Можно заменить на четыре диода с соответствующими параметрами.

Диод VD2 класса ultra-fast (сверхбыстрый) — обратное напряжение 400 В, допустимый прямой постоянный ток 1 А, время восстановления 35 не). Подойдут 11DF4, BYV26B/C/D, HER156/157, HER105—108, HER205—208, SF28, SF106—109. Диод должен располагаться как можно ближе к микросхеме.

Микросхема DA1 — IR2151, она заменима на IR2152, IR2153, IR2153D, IR21531, IR2155. При использовании IR2153D диод VD2 не требуется, т. к. он установлен внутри микросхемы.

Конденсаторы С1...СЗ - К73-17 на 630В;

• С4 — оксидный импортный на номинальное напряжение не менее 350В;

• С5 — оксидный на 25В;

• С6 — керамический на 50В.;

• С7 — керамический или К73-17 на напряжение не менее 100В;

• С8, С9 — К73-17 на 400В; СЮ — полипропиленовый К78-2 на 1600В.

Рис.4.

Варистор RU1 фирмы Epcos — S14K275, S20K275, заменим на TVR(FNR) 14431, TVR(FNR) 20431 или отечественный СН2-1а-430В. Терморезистор (термистор) RK1 с отрицательным температурным коэффициентом (NTC — Negative Temperature Coefficient) — SCK 105 (10 Ом, 5 А) или фирмы Epcos — B57234-S10-M, В57364-S100-M. Термистор можно заменить на проволочный резистор 4,7 Ом мощностью 5Вт.

RK2 термистор РТС (Positive Temperature Coefficient) с положительным температурным коэффициентом (позистор). Разработчики IR2151 рекомендуют использовать позистор фирмы Vishay Cera-Mite — 307C1260.

Его основные параметры:

• номинальное сопротивление при +25 ° С — 850 Ом;

• мгновенное (максимально допустимое) среднеквадратичное напряжение, прикладываемое к позистору при зажигании лампы — 520В;

• постоянное (максимально допустимое) среднеквадратическое напряжение, прикладываемое к позистору при нормальной работе лампы — 175В;

• максимальный ток переключения (переводящий позистор в высокоомное состояние) — 190 мА;

• диаметр — 7 мм.

Рис.5.

Возможная замена - импульсные позисторы фирмы Epcos (число циклов переключения 50000...100000) В59339-А1801-Р20, В59339-А1501-Р20, B59320-J120-А20, В59339-А1321-Р20.

Если люминесцентную лампу предполагается использовать в режиме редкого включения/выключения, то позистор можно исключить. Резисторы R1—R5 — ОМЛТ или МЛТ.

Балласт собран на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита и помещен в алюминиевый экранирующий кожух. Печатная плата и расположение элементов показаны на рис. 5.

Внимание! Устройство гальванически связано с электрической сетью и опасно из-за возможного поражения электрическим током. Поэтому при изготовлении, проверке, налаживании и эксплуатации следует помнить о строгом соблюдении мер электробезопасности.

Конструкция должна быть выполнена так, чтобы исключить случайное касание оголенных выводов проводников или деталей. Проверяя работу устройства, не следует касаться руками никаких ее деталей или цепей, а заменяемые детали перепаивать только при вынутой из розетки сетевой вилке.

Ю. Давиденко

Литература:

1. http://www.irf.com

2. http://lampa4.narod.ru/lampsh.htm

3. Л. Зуев. Экономичный преобразователь для питания люминесцентной лампы от аккумуляторной батареи. — Радио, 2001, № 2, с. 34, 35.

4. В. Широков. Компактные электронные люминесцентные лампы: выбираем, применяем, ремонтируем... — Радиохобби, 2001, № 3, с. 48—52.

5. Д. Хрусталев. Электронные балласты для люминесцентных ламп. — М.: Схемотехника, 2001, № 2, с. 35.

6. Б. Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. — М.: Солон-Р, 2001.

7. http://www.irf.com/forms/eltdk.html

8. http:/ /www.irf.com/whats-new/nr011108.html

9. http://ec.irf.com/ec/adirect/ir?cmd=eDownloadBallast

Материал подготовил С. Струганов (UA9XСN).