Электронный балласт на IR2153

Структурная схема электронного балласта

Рассмотрим принцип работы простого электронного балласта на IR2153. На структурной схеме электронного балласта точка «А» подключается с помощью ключей Кл1 и Кл2 то к напряжению питания (Uп = +310 В), то к общему проводу. В результате в точке «А» возникают однополярные высокочастотные импульсы напряжения (частота коммутации обычно находится в пределах 30…100 кГц), которые, во-первых. зажигают лампу, а во-вторых, не дают газу деионизироваться (отсутствие мерцания).

При таком методе пуска и управления полностью исключен фальстарт, поскольку лампа гарантированно коммутируется на постоянное напряжение, провалы которого принципиально отсутствуют. Сокращаются размеры индуктивного элемента. Регулировкой скважности (или фазы) импульсов коммутации можно добиться изменения яркости свечения. Чтобы зажечь лампу, нужно разогреть ее электроды. Поскольку в схеме электронного балласта отсутствует стартер, необходимо каким-то образом первоначально замкнуть силовую цепь, чтобы протекающий ток разогрел электроды, а затем схему пуска отключить. В лампах небольшой мощности (единицы ватт) первоначальное замыкание цепи можно осуществить при помощи конденсатора С. Однако этот путь достаточно противоречив, поскольку для разогрева желательно иметь как можно большее значение емкости, в то время как для возникновения 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 электроцы лампы. Вместе с электродами разогревается и позистор. При определенной температуре сопротивление позистора резко повышается, цепь разрывается, и индуктивный выброс зажигает лампу. Позистор шунтируется низким сопротивлением горящей лампы. Использование позистора позволяет лампе зажигаться плавно и снижает износ электродов, что продлевает срок службы лампы до 20 тыс ч.

Существует также метод (более прогрессивный) предварительного прогрева катодов заключающийся в том, что при прогреве частота драйвера выше резонансной частоты питания лампы. В результате лампа сначала прогревается и только после того, как частота драйвера снижается до резонансной, — поджигается.

Наиболее дешевые (китайско-польские) электронные балласты работают в автогенераторном режиме и собираются из дискретных элементов. Отсюда наличие нескольких сложных намоточных элементов — трансформаторов, большие габариты печатных плат, низкая надежность, сложность настройки.

Ведущие фирмы-разработчики выпускают довольно широкий перечень микросхем управления балластами. Существуют как микросхемы, требующие наличия внешних силовых транзисторов, так и модификации, в которых силовые ключи интегрированы в один корпус со схемой управления. Такие балласты довольно миниатюрны.

Совсем недавно появилось новое поколение микросхем управления электронными балластами обладающее многими сервисными и защитными функциями. К сожалению, отечественные разработки микросхем управления электронными балластами находятся в зачаточном состоянии, поэтому приходится рассказывать лишь о том, как преуспели на этом рынке зарубежные фирмы-производители силовой электроники.

Фирма International Rectifier (http://www.irf.com) производит микросхемы IR2156. IR2157, IR2159, IR2106, IR2167, IR2520, требующие внешних силовых транзисторов, и микросхемы IR5xHxx с интегрированными силовыми ключами.

Фирма STMicroelectronics (http://www.st.com) производит микросхемы L6569, L6571, L6574.

Фирма Motorola — МС2151, MPIC2151, MC33157DW.

Фирма Unitrode (Texas Instilments) — UC3871, UC3872.

Фирма PHILIPS — UBA2014, UBA2021, UBA2024.

Микросхемы имеют цепь управления затвором верхнего ключевого транзистора с вольтдобавкой, защиту от сквозных токов (защитная пауза 1,2 мкс), узлы стабилизации внутреннего питания и защиту от пониженного напряжения сети. Кроме того, новое поколение микросхем MC33157DW, L6574, UBA2021, UBA2024, IR2157, IR2159, IR2166, IR2167, IR2520 реализует:

  • возможность установки времени прогрева начальных электродов;
  • возможность установки скорости зажигания лампы за счет введения плавающей задающей частоты;
  • возможность установки задержки включения силовых ключей;
  • дополнительную защиту от незажигания лампы и включение защитного режима в момент ее отказа;
  • защиту при перегорании накальных электродов и контроль наличия вставленной лампы;
  •  защиту от зажигания на частоте ниже резонансной;
  • защиту от падения сетевого напряжения;
  • автоматический перезапуск при кратковременном пропадании сетевого напряжения;
  • защиту от перегрева кристалла.

Кроме того, микросхема IR2159 является диммером — умеет регулировать яркость лампы (фазовый метод регулировки), IR2166, IR2167 имеют встроенный корректор коэффициента мощности.

Для упрощения и ускорения проектирования новых поколений электронных балластов (IR2156, IR2157, IR2159, IR2166, IR2167) к лампам разной мощности и типов разработаны как детальные рекомендации Reference Designs (http://ww.irt.com/forms/eltdk.html), так и ПО САПР IRPLBDA2/3 (International Rectifier Lighting Ballast Design Software v.3), обеспечивающее почти полную автоматизацию проектирования вплоть до перечня элементов схемы. САПР сегодня поддерживает 36 типов ламп и 7 различных конфигураций балласта, а также дает возможность добавлять новые. Более чем 20 параметров, включая частоту, напряжение, ток и номиналы компонентов, выбираются пользователем. О проектировании с помощью этой программы будет рассказано ниже.

Структурная схема ИМС IR2153

Структурная схема ИМС IR2153

А мы пока рассмотрим простую схему электронного балласта на микросхеме IR2153 (IR2151).

Основные параметры IR2153:

максимальное напряжение на выводе Vв относительно общего провода

600 В

напряжение питания (Vсс)

15 В

ток потребления (Icc)

5 мА

максимальный ток управления Io

+100мА/-210мА

время включения (ton)

80 нс

время выключения (toff)

40 нс

пауза коммутации (задержка)

1,2 мкс.

Принципиальная электрическая схема электронною балласта, выполненного на основе IR2153, изображена на рисунке.

Принципиальная электрическая схема электронного балласта, выполненного на основе IR2153

Принципиальная электрическая схема электронного балласта, выполненного на основе IR2153

 

IR2153 — это драйвер мощных полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET), с внутренним генератором (он представляет собой точную копию генератора, использующегося в таймере серии 555, отечественный аналог — КР1006ВИ1), работающий непосредственно от шины постоянного напряжения через гасящий резистор R1. Внутренняя стабилизация напряжения предотвращает превышение напряжения Vсс выше 15,6 В, а блокировка по пониженному напряжению блокирует оба выхода управления затворами VT1 и VT2, когда напряжение Vcc ниже 9 В. DA1 имеет два управляющих выхода 7 и 5: нижний 5 для управления VT2 и верхний 7 «плавающий» («плавающий», т. к. формирователь импульсов управления полевым транзистором VT1 питается от плавающего источника питания, который образуют элементы VD2, С7), выход для управления VT1. При управлении силовыми ключами (VT1, VT2) микросхема IR2151 обеспечивает задержку коммутации продолжительностью 1,2 мкс для предотвращения ситуации, когда транзисторы VT1 и VT2 одновременно открыты и через них протекает сквозной ток, который моментально выводит оба транзистора из строя

Данный баллаcт рассчитан на питание одной или двух ламп мощностью 40 (36) Вт (ток лампы — 0,43 А) от сети переменного тока 220 В 50 Гц.

При использовании двух ламп по 40 Вт необходимо добавить элементы, выделенные пунктиром (EL2, L3, С11, RK3). Следует заметить, что для устойчивой работы номиналы элементов в параллельных ветвях должны быть равными (L3, C11 = L2, С10), а длина проводов, подводимых к лампам, — одинаковой.

При работе одного драйвера на две лампы предпочтительнее использовать частотный прогрев электродов (без позисторов). Об этом способе будет рассказано ниже (при описании ЭПРА на микросхеме IR53HD420).

При использовании ламп другой мощности (18…30 Вт) следует изменить номиналы L2 = 1,8…1,5 мГн (соответственно); при использовании ламп мощностью 60…80 Вт — L2 = 1…0,85 мГн, a R2 — из условия выполнения Fг = Fb (формулы расчета этих частот приведены ниже).

Напряжение сети 220 В поступает на сетевой фильтр (фильтр электромагнитной совместимости), образованный элементами C1, LI, С2, СЗ. Необходимость его применения вызвана тем, что ключевые преобразователи являются источниками электромагнитных радиочастотных 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 (NTC) 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 конденсаторам С4.

Цепочка R1C5 питает микросхему DA1 — IR2153.

Частота внутреннего генератора Fг микросхемы задается элементами R2 = 15 кОм; С6 = 1 нФ в соответствии с формулой:

Резонансная частота балластной схемы F6 задается элементами L2 = 1,24 мГн; С10 = 10 нФ в соответствии с формулой:

Для обеспечения хорошего резонанса требуется выполнение следующего условия: частота внутреннего генератора должна быть примерно равна резонансной частоте балластной схемы, т. е. Fг = F6. В нашем случае это условие выполняется.

Элементы VD2, С7 образуют плавающий (бутстрепный) источник питания формирователя импульсов управления полевым транзистором VT1. Элементы R5, С9 — демпфирующая цепь (snubber), предотвращающего защелкивание (срабатывания паразитного тиристора в структуре КМОП драйвера) выходных каскадов микросхемы. R3, R4 — ограничительные затворные резисторы, ограничивают наведенные токи и тоже предохраняют выходные каскады микросхемы от защелкиваниия. Увеличивать (в больших пределах) сопротивление этих резисторов не рекомендуется, т. к. это может привести к самопроизвольному открытию силовых транзисторов.