Современная схема электронного балласта

Электронный балласт на микросхеме IR21571

Итак, настало время поговорить о более сложных, более современных схемах, обеспечивающих функции гарантированного подогрева электродов, надежного зажигания, защиту от выхода из строя при удалении лампы, защиту при перегорании нитей накала, регулировку яркости.

Отличный балласт, обладающий всеми перечисленными возможностями, за исключением, разве что, регулировки яркости, можно построить на основе микросхемы IR21571. Читателю можно просто повторить описываемую конструкцию, а можно поработать с IR Ballast Designer и научиться проектировать электронные балласты для разных типов ламп и разных микросхем. Чтобы не тратить время на описание работы микросхемы 1R21571, с сайта фирмы рекомендуется скачать фирменную документацию на русском языке, а также варианты применения микросхемы в практической конструкции (к сожалению, только на английском).

Главным инструментом разработки балласта, как мы уже сказали, служит программа IR Ballast Designer. После запуска входим в режим simple mode, который наиболее подходит для начинающих пользователей. Выбираем тип входной цепи (line input) — 185…265 В. Выбираем тип люминесцентной лампы — TC-EL 11W. Выбираем микросхему — IR21571. Выбираем способ подключения лампы — Single lamp/voltage mode heading. Последний шаг — расчет элементов балласта (design ballast). Если никаких ошибок в процессе расчета не обнаружено и исходные данные верны, мы увидим три дополнительных окна (circuit diagram, bill of materials, LRES voltage mode inductor), которые содержат схему, перечень элементов и намоточные данные резонансного дросселя. Если в качестве базовой была выбрана схема с входным корректором коэффициента мощности, то будет сформировано четвертое дополнительное окно (LPFC inductor), из которого можно узнать намоточные данные дросселя корректора (обычно он имеет двухобмоточную конструкцию). Но в данном случае корректор отсутствует.

Схема электронного балласта, получившаяся в результате расчета, приведена на рисунке. Предохранитель F1 защищает питающую сеть от короткого замыкания в силовой части схемы, например, от КЗ в результате сквозного «прогорания» транзисторов VT1 и VT2. Дроссель L1, варистор RV1 и конденсатор С1 — элементы входного фильтра радиопомех. Далее сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом BR1 и сглаживается электролитическим конденсатором С2. Микросхема DA1 осуществляет управление транзисторным полумостом (VT1, VT2), контролирует наличие лампы в патроне (вход SD), перегрузку по току, работу ниже резонанса и «тяжелое» переключение транзисторного полумоста (вход CS), аварийную «просадку» напряжения питания (вход VDC). Питание микросхемы в режиме старта осуществляется через резистор R8, в нормальном режиме работы ее подпитывает напряжение со снаббера С14, VD3. Резонансный контур, осуществляющий под-жиг лампы EL1 и поддержание ее горения, — элементы L2.1, С15, С16. Конденсатор С17 — разделительный, а резонансные цепи L2.2, С18 и L2.3, С19 используются в режиме разогрева электродов лампы (так называемый voltage-mode режим подогрева). Конденсаторы С10 и С11 — фильтрующие питание, конденсатор С9 и диод VD1 — бутстрепные. Резисторы R10 и R11 входят в состав RC-фильтров питания микросхемы. Конденсаторы С12 и С13 фильтруют помехи по входам микросхемы.

Автор обращает внимание читателей на некоторое незначительное отличие приводимой схемы от прототипа, сформированной программой. Так, например, вместо дополнительного дросселя введен NTC-термистор RV2, резонансный конденсатор составлен из двух последовательно включенных С16 и С16, увеличена емкость конденсатора С12 с 220 до 820 пФ, увеличены емкости конденсаторов С1 и С17 с 0,1до 0,15 мкФ. Данные усовершенствования в основном продиктованы имеющимися у автора в наличии элементами, за исключением С12, который пришлось увеличить для повышения помехоустойчивости (с расчетным номиналом срабатывала защита полумоста и лампа не зажигалась). Отсутствует также резистор Rrun между выводами 4 и 5 микросхемы. Место для установки резистора на печатной плате предусмотрено, но в данном случае он не нужен, поэтому при расчете не включается в перечень элементов.

Типы и номиналы элементов, использованных в конструкции электронного балласта: конденсаторы CI, С17 типа К73-17 на напряжение 400 В, С14 — типа К78-2 на напряжение 1600 В, С15 и С16 — аналогичного типа на 1000 В, С18 и С19 — типа К73-9 на напряжение 100 В. Остальные конденсаторы типа К50-68 и К10-176. Резисторы типа С2-ЗЗН с номинальным допуском не хуже 5 %, за исключением R14, который использован типа С1-4. Естественно, можно использовать другие типы (в том числе импортные), имеющиеся в наличии. Отдельно необходимо сказать об элементах L1 и L2, так как их придется изготовить самостоятельно.

Дроссель фильтра радиопомех L1 по расчету должен иметь две обмотки с индуктивностью 2×10 мГн и позволять протекание тока до 0,1 А. Такой дроссель можно намотать на кольце из феррита 2000НМ типоразмера К16 х 10 х 4,5. Обмотки L1.1 и L1.2 должны содержать по 100 витков провода ПЭТВ-2 диаметром 0,15 мм. Мотаются обмотки в два провода, затем осуществляется их разделение. В авторском варианте намотано по 50 витков (просто не хватило терпения мотать больше), что, конечно, немного снизило помехозащищенность балласта. Перед намоткой кольцо было обмотано полоской лакоткани, после намотки также обмотано лакотканью, затем обмотки были прозвонены на предмет отсутствия короткого замыкания между ними. Дроссель устанавливается на плату при помощи клея (в авторском варианте от был приклеен Poxipol-ом, как показано на рисунке.

Установка дросселя L1

К изготовлению дросселя L2 необходимо отнестись более внимательно, так как от его качества в значительной степени будет зависеть работоспособность и надежность электронного балласта. По расчетным данным дроссель должен быть намотан на магнитопроводе типа Е16/8/5 из материала ЗС85 (Philips) или N27 (Siemens). Количество витков L2.1 — 404, L2.2 и L2.3 — по 5. Немагнитный зазор — 1,1 мм, провод диаметром 0,2 мм. Намотка ведется следующим образом: каркас оборачивается полоской лакоткани, наматывается обмотка L2.1, поверх прокладывается лакоткань, мотаются обмотки L2.2 и L2.3, затем оборачивается еще одним слоем лакоткани. Фазировка обмоток, то есть зависимость работоспособности от подключения «начала» или «конца», здесь не важна.

У автора не нашлось возможности приобрести указанный магнитопровод, поэтому пришлось пересчитать дроссель на магнитопровод EFD20 из феррита N87 (Epcos). Каркас был изготовлен самостоятельно на основе каркаса EFD25 (использованы контактные площадки). Количество витков L2.1 — 316, остальные обмотки сохранены. Зазор составляет 1,5 мм. Провод ПЭТВ-2 диаметром 0,15 мм. Прокладки для зазора изготовлены из пластмассы от коробки плавленого сыра «Виола». Узкая полоска из пластмассы складывается пополам и прокладывается между боковыми кернами магнитопровода. Склейка выполняется Poxipol-ом. Дополнительно по контуру магнитопровода осуществлена обмотка узкой полоской изоляционной ленты. Устанавливается дроссель на плату с помощью выводов, которым он впаивается в печать.

Установка дросселя L2

Печатная плата балласта приведена на рисунке. Она имеет размеры 130 х 38 мм и изготовлена из фольгированного одностороннего стеклотекстолита. При прорисовке токоведущих дорожек лучше сохранить указанную на рисунке их ширину.

Печатная плата

Собрать балласт поможет рисунок ниже. Не обозначенные на принципиальной схеме входная клемма и клемма подключения лампы имеют соответственно 2 и 4 контакта «под винт». Их тип — хорошо известный MKDS с шагом 5 мм. Большинство резисторов установлены «стоя», крупногабаритные элементы можно приклеить к плате. Особое внимание нужно уделить установке транзисторов VT1 и VT2, так как эти элементы, за исключением лампы EL1, выделяют наибольшее количество тепла. Транзисторы устанавливаются со стороны печатных проводников на прокладки из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, которые нужно заранее приклеить к плате. Температура транзисторов без радиаторов составляет около 50 градусов.

Сборочный чертеж

Работа балласта проверена с лампами PHILIPS MASTER PL-S 11W/840/4P/900 lm мощностью 11 Вт и OSRAM DULUX S/E 2G7 9W/21-840 мощностью 9 Вт. С менее мощными лампами его работа не проверялась, а для более мощных лучше спроектировать новый электронный балласт. Добавим: конфигурации балластов могут быть самыми разнообразными, включая работу одного балласта на две лампы, что целесообразно использовать в потолочных светильниках.

На рисунке показана плата электронного балласта в сборе (а — со стороны установки элементов, б — со стороны печатного монтажа). Основные характеристики балласта таковы: время подогрева — 1 с, максимальное напряжение зажигания — 550 В, напряжение на лампе в рабочем состоянии — 106 В, частота подогрева — 60 кГц, частота зажигания — 53 кГц, частота работы — 36 кГц, время зажигания — 50 мс.

Плата в сборе

Плата в сборе: a — со стороны установки компонентов; б — со стороны токоведуших проводников

Где можно использовать этот балласт? Конечно, его не разместишь в винтовом цоколе, но можно спрятать в небольшую коробочку, Можно сделать надежную настольную лампу типа «Дельта», выпускаемой новгородским заводом «Трансвит». Подобрать подходящую арматуру можно на «блошином» рынке, плафон легко изготавливается из пластмассовой водопроводной трубы. Конечно, внешний вид такой лампы будет хуже, чем покупной, но работать она должна надежнее, прослужит дольше и окажется немного дешевле в изготовлении.