Балласт для лампы своими руками

Балласт для лампы своими руками

Современные электронные балласты своми руками.

Автор: Анисимов Иван
Опубликовано 05.02.2007

Освещение лампами дневного света имеет значительное преимущество перед лампами накаливания: экономичность, более длительный срок службы, высокий КПД, малое количество тепла рассеиваемого лампой, спектр света излучаемого данными лампами более близок к естественному, по сравнению со столь привычными накальными. И естественно имеют недостатки, это: сложность включения ламп дневного освещения, возникновение стробоскопических эффектов на движущихся механизмах, сравнительная дороговизна.
Несмотря на сильное развитие современных электронных балластов для питания ламп дневного освещения (ЛДС), стандартной схемой включения ЛДС принято считать схему изображенную на рисунке.

Принцип действия прост, но всё таки требует определённых условий для нормального эксплуатирования ЛДС. Для зажигания люминесцентной лампы и ее нормальной работы требуется стартер (пусковое устройство), дроссель (ПРА — пускорегулирующий аппарат), конденсаторы. Стартер служит для автоматического включения и выключения предварительного накала электродов. Он представляет собой баллон из стекла, наполненный инертным газом, в котором находятся металлический и биметаллический электроды, выводы которых соединены с выступами в цоколе для крепления в схеме лампы. При включении лампы согласно вышеуказанной схеме, а на электроды лампы и стартера подается напряжение сети, которое достаточно для образования тлеющего разряда между электродами стартера. Поэтому в цепи протекает ток тлеющего разряда стартера, примерно 0,01. 0,04 А. Тепло, выделяемое при протекании тока через стартер, нагревает биметаллический электрод, который выгибается в сторону другого электрода. Через промежуток времени тлеющего разряда 0,2. 0,4 с контакты стартера замыкаются, и по цепи начинает течь пусковой ток, величина которого определяется напряжением сети и сопротивлениями дросселя и электродов лампы. Этого тока не достаточно для нагревания электродов стартера, и биметаллический электрод стартера разгибается, разрывая цепь пускового тока. Предварительно пусковой ток разогревает электроды лампы. Благодаря наличию в цепи индуктивности, при размыкании контактов стартера в цепи возникает импульс напряжения зажигающий лампу. Время разогрева электродов лампы составляет 0,2. 0,8 секунд что в большинстве случаев недостаточно, и лампа может не загореться с первого раза, и весь процесс может повториться. Общая длительность пускового режима лампы составляет 5. 15 с. Длительность пускового импульса при размыкании контактов стартера составляет 1. 2 мкс, что недостаточно для надежного зажигания лампы, поэтому параллельно контактам стартера включают конденсатор емкостью 5. 10 пФ. Дроссель, представляющий собой обмотку, намотанную на сердечник из листовой электротехнической стали, облегчает зажигание лампы, а также ограничивает ток и обеспечивает ее устойчивую работу (иногда дроссель заменяют компенсирующим конденсатором, лампочкой накаливания небольшой мощности). На рисунке 1, приведена простейшая схема стартерного зажигания люминесцентной лампы, включенной в сеть 127—220 В. Проблема рассматриваемой схемы в том что в момент размыкания стартера не всегда совпадает с полуволной напряжения сети, и срабатывание стартера происходит вхолостую. Схема конечно куда проще, чем те которые будут описываться ниже. Но всё таки схемы рассматриваемые далее находят своё применение в действительно качественных и экономичных системах освещения.
И так.

Электронный балласт на микросхеме IR2153

Что же относительно конкретных схемных решений, то я постараюсь осветить решения на основе микросхем фирмы-производителя International Rectifier.
Схема представленная на рисунке, представляет собой преобразователь сетевого напряжения 220 В, 50 Гц в 160 В 33 кГц. Именно полученные выходные параметры и являются теми факторами, значительно повышающими эксплуатационные характеристики источников света на основе ЛДС.
Первый фактор: Полностью исключается беспорядочное мерцание лампы в момент первоначального запуска.
Второй: Возникающий во время старта потенциал, достаточный для гарантированного поджога лампы с первого раза. Время запуска составляет примерно 0,5 сек.
Третий: Благодаря высокочастотной коммутации, газ в лампе не успевает деионизироваться в периодах спадания синусоиды питающего тока до нуля, а значит для нормальной работы лампы требуется меньшее напряжение. Это основная экономия электроэнергии.
Четвёртый: Полное отсутствие стробоскопического эффекта на движущихся механизма, вследствии отсутствия 100Гц (удвоенной частоты сети) пульсаций света.
Пятый: Требуется дроссель с меньшей индуктивностью, а значит и с меньшими размерами, весом, тепловыми, омическими потерями и стоимость.
Перед выше перечисленым можно смело ставить знак «+»
Ну и куда же деться от недостатков, они у нас таковы:
Первый: Относительная сложность схемы.
Второй: Относительно высокая стоимость изготовления такого аппарата (если речь идёт о питании одной лишь лампы).
Третий: Высокий уровень ЭМИ.

Схема состоит из основных узлов: фильтр питающего напряжения, выпрямитель сетевого напряжения, генератор-драйвер управления высоковольтными MOSFET транзисторами, полумост ключей и нагрузка в роли которой выступает лампа с балластным дросселем.
Ничего особо необычного схема не содержит и не является сложной.
Сетевое напряжение подаётся через сетевой фильтр L1, C2. Поступает на выпрямитель VD1, C3. Сформированные на конденсаторе С3 310В напрямую запитывают полумост транзисторов VT1, VT2 и через гасящий резистор R2 получаем необходимые для работы микросхемы 9-10В.
После подключения к сети примерно через 0,5 секунды на выходе схемы (правая по схеме обкладка конденсатора С8) появляется меандр в 165В с небольшой «полочкой» между открытыми состояниями транзисторов. Поданное на лампу ВЧ напряжение в течении ещё примерно 0,5 сек. прогревает катоды. Проявляется это в виде кратковременного тусклого оранжевого свечения катодов, после достаточной ионизации газа в колбе лампы, за счёт высоковольтных выбросов с дросселя L2, газовый промежуток пробивается. И, как же без последствий — лампа зажглась! Дальнейшая работа сопровождается прогревом лампы и индуктивности в результате чего яркость несколько увеличивается.
«Двигателем» схемы является микросхема генератор-драйвер. В содержимом которой можно разобраться исходя из вот этого рисунка:

Микросхема содержит подобие 555-го таймера, фазорасщепляющий триггер, формирователь «мёртвого» промежутка позволяющий избежать сквозного тока в выходных ключах, схему питания драйвера верхнего ключа, схему контроля заниженного напряжения, стабилитрон основного питания и даже цепь задержки, позволяющая выровнять время распространения сигналов по каналам верхнего и нижнего ключа, а также ещё несколько дополнительных узлов, в которых разбираться нет смысла.

Источник

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):

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.

Источник