Электронный балласт на микросхеме IR2520.

Автор: Internet. Опубликовано в Освещение

Классическая схема электромагнитного балласта с дросселем и стартером Люминесцентные лампы со старой схемой запуска имеют множество недостатков:

ненадежный стартер и громоздкий тяжелый дроссель;

мерцание с частотой 100 Гц, что утомляет наши глаза и портит зрение;

необходимость крепления мощного дросселя на резиновые амортизаторы для снижения вибраций с частотой сети 50 Гц;

наличие стартера (биметаллической пластины в корпусе с газом для ионизации), который довольно часто выходит из строя, что сопровождается неприятными вспышками лампы (после таких фальш-стартов лампы дневного света светильник быстро выходит из строя, а края лампы приобретают темные пятна);

из-за наличия мощного дросселя люминесцентный светильник старой конструкции представляет собой очень неудачную нагрузку для электрической сети, так как коэффициент мощности ламп дневного света гораздо меньше единицы, что создает большие электрические помехи радиоприемным устройствам и прецизионной аппаратуре.

Появление электронных балластов для ламп дневного света позволило существенно улучшить характеристики люминесцентных светильников, но для понимания работы электронных балластов рассмотрим принцип действия старого классического балласта с дросселем и стартером, схема которого показана на рисунке А.

Классическая схема электромагнитного балласта с дросселем и стартером
Рис. А. Классическая схема электромагнитного балласта с дросселем и стартером

Стартер состоит из биметаллической пластины, находящейся в колбе с газом, и параллельно включенного конденсатора. Холодная лампа дневного света имеет высокое сопротивление между электродами, поэтому при включении напряжение сети практически целиком падает на биметаллической пластине стартера (ключевом элементе). Ключевой элемент в холодном состоянии разомкнут, а в нагретом - замкнут. При включении все напряжение сети прикладывается к ключевому элементу, что вызывает ионизацию газа в колбе и разогрев биметаллической пластины. Через некоторое время ключ замыкается, в цепи резко возрастает ток, «накачивающий» энергию в дроссель. Кроме того, происходит разогрев накальных нитей лампы дневного света. Между разогретыми электродами газонаполненной лампы за счет эффекта термоэлектронной эмиссии возникает электрический ток и, как следствие, свечение люминофора. Напряжение на стартере резко уменьшается, что вызывает пропадание в нем ионизации. Биметаллическая пластина остывает, и ключ размыкается. Главные недостатки старого классического балласта - броски тока через холодную нить накала, механический износ и обгорание контактов ключевого элемента, что резко снижает срок службы стартера и лампы, и приводит к выходу из строя люминесцентного светильника.

На рисунке В показана временная диаграмма работы лампы дневного света (на рисунках специально оставлены английские названия и термины, чтобы облегчить читателю в дальнейшем чтение оригинальной документации производителя на английском языке).

Временная диаграмма и фазы работы люминесцентной лампы
Рис. В. Временная диаграмма и фазы работы люминесцентной лампы

Схема высокочастотного электронного балласта, работающая на частотах в десятки кГц, позволяет очень точно сформировать интервал предварительного нагрева, обеспечить оптимальную величину напряжения поджига и корректное изменение частоты в процессе работы лампы. Электронный балласт обеспечивает мягкий запуск лампы дневного света и ее щадящую эксплуатацию. При этом ресурс люминесцентной лампы значительно увеличивается, превосходя эксплуатационный ресурс лампы накаливания.

Электронные балласты работают на высоких частотах: от 15 до 75 кГц. На рисунке С показаны рабочие точки для включения и установившегося режима люминесцентной лампы при управлении электронным балластом. При переходе от предварительного прогрева к зажиганию лампы необходимо уменьшать рабочую частоту, поэтому на рисунке С переход от одного режима к другому показан в направлении справа налево.

Рабочие точки для люминесцентной лампы при наличии электронного балласта
Рис. С. Рабочие точки для люминесцентной лампы при наличии электронного балласта

В момент поджига напряжение на лампе в несколько раз превышает этот параметр по сравнению с установившимся (рабочим) режимом. В рабочем режиме лампа переходит в экономичный режим свечения на резонансной частоте.

 
 
 

Специализированная микросхема IR2520D. Имея всего восемь выводов, она не только поддерживает в заданных пределах ток и напряжение на лампе при прогреве, 

 и в рабочем режиме, но и обладает рядом защитных функций.
 Схема ЭПРА с использованием IR2520D изображена на рис. 1.
 

Рис. 1.

Данная схема с успехом была спроектирована с помощью последней версии программы Ballast Designer, а использована для замены вышедшего из строя электронного балласта KЛЛ мощностью 36 Вт. Внутреннюю структурную блок-схему можно узнать, обратившись к фирменной программе Ballast Designer и даташиту.


Электронный балласт на микросхеме IR2520

Диодный мост VD1 выпрямляет переменное сетевое напряжение. Конденсатор С2 - сглаживающий. Первичный бросок зарядного тока конденсатора С2 ограничивает резистор R1, а импульсные помехи ослабляет фильтр L1C1.

Сразу же после включения начинается зарядка конденсатора С4 током, текущим через резисторы R2 и R4. Как только напряжение на этом конденсаторе и между выводами 1 и 2 микросхемы DA1 достигнет 12,6 В, микросхема начнет генерировать импульсы, управляющие полевыми транзисторами VT1 и VT2. Зарядка конденсатора С4 будет продолжаться, пока напряжение на нем не достигнет 15,6 В - напряжения стабилизации встроенного в микросхему стабилитрона. Так как резисторы R2 и R4 обеспечивают ток, достаточный лишь для запуска микросхемы, в рабочем режиме ее питает выпрямитель выходного напряжения на диодах VD2, VD3 и конденсаторе С5.

Частота генерируемых импульсов зависит от сопротивления резистора R3 и от напряжения на выводе 4 микросхемы. Сразу после включения это напряжение равно нулю (конденсатор СЗ разряжен), частота максимальна и равна 118,5 кГц (точка Start на рис. 2). Резонансная частота контура L2C7 гораздо ниже (65,3 кГц), поэтому амплитуда переменного напряжения на не горящей пока лампе EL1 невелика. Ток высокой частоты течет через ее нити накаливания, прогревая их.

По мере зарядки конденсатора СЗ током, источником которого служит сама микросхема, частота генерируемых импульсов снижается (участок Start - lgnition на графике, рис. 2), напряжение на лампе и ток ее накала растут. Приблизительно через 1 с, когда напряжение на конденсаторе СЗ достигнет 4,8 В, частота станет равной 75,5 кГц, а напряжение на лампе - 450 В. Этого напряжение достаточно для поджига, в результате в лампе возникнет газовый разряд, и она вспыхнет.

Электронный балласт на микросхеме IR2520

Рис. 2. График, поясняющий работу схемы

Так как напряжение горения лампы гораздо ниже напряжения ее пробоя, рабочая точка на графике (рис. 2) скачком переместится из точки lgnition (соответствует погашенной лампе и высокой добротности колебательного контура L2C7) в точку Run (лампа горит, добротность зашунтированного ее разрядным промежутком контура резко снизилась). Зарядка конденсатора С3 будет продолжаться, пока напряжение на выводе 4 микросхемы не достигнет 6 В, что соответствует частоте подаваемого на лампу напряжения 47,4 кГц. Это номинальный режим горения лампы (точка Run на графике, рис. 2).

Встроенный в микросхему R2520D узел контроля измеряет пропорциональное току, текущему через полевой транзистор VT2, падение напряжения на сопротивлении его открытого канала сток-исток. Если транзистор открывается, когда мгновенное значение тока нагрузки равно нулю, напряжение на выводе 4 микросхемы и зависящая от него частота колебаний остаются неизменными. Но в результате старения элементов или по другим причинам резонансная частота нагрузки может измениться. Следствием этого станет ненулевое значение тока, текущего через транзистор VT2 в первый момент после его открывания.

Обнаружив это, узел управления микросхемы начнет уменьшать напряжение на выводе 4, повышая этим частоту колебаний. Если для достижения нуля окажется недостаточно снижения напряжения на выводе 4 даже до 0,85 В (такое может случиться при нарушении контакта в держателе лампы или перегорании ее нити накала), микросхема перейдет в аварийный режим, закрыв транзисторы VT1 и VT2, разрядив конденсатор СЗ и уменьшив потребляемый ток до 100 мкА. Для того чтобы выйти из этого режима, придется уменьшить напряжение питания (между выводами 1 и 2 микросхемы) до значения, меньшего 10 В, а затем вновь поднять его выше 12,6 В.

Если по достижении точки lgnition (см. рис. 2) зажигания лампы не произошло в связи с ее неисправностью или отсутствием, уменьшение частоты колебаний продолжится, напряжение на конденсаторе С7 превысит допустимое значение, и он может быть пробит. Возможно и насыщение магнитопровода дросселя L2.

Установлено, что в таких условиях растет пик-фактор (отношение амплитудного значения к среднему) тока, текущего через открытый транзистор VT2. Используя сопротивление открытого канала этого транзистора как датчик тока, узел контроля микросхемы измеряет пик-фактор. При его усредненном за 10-20 периодов колебаний значении более пяти микросхема перейдет в описанный ранее аварийный режим.

 
 
Плата
 

 

 
Архив печатной платы;  скачать.