Электронные балласты

Контроллеры ICB1FL02G Infineon для построения электронных балластов люминесцентных ламп

Электронные балласты последнее время прочно занимают своё место в системах уличного освещения, освещения зданий и транспорта. Связано это с целым рядом преимуществ, которые отсутствуют у электромагнитных балластов – отсутствие мерцания, более высокий КПД, больший срок службы лампы благодаря щадящему пусковому режиму. В этой статье будет рассказано про микросхему ICB1FL02G Infineon, которая позволяет на её основе реализовать эффективный и экономичный электронный пускорегулирующий аппарат, в дальнейшем ЭПРА.

Для маломощных ЭПРА форма потребляемого тока от сети и уровень гармонических составляющих регламентируется ГОСТом Р 51317. 3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95) относящихся к классу C. Исходя из этих требований, при разработке ЭПРА разработчик решает, необходимо ли оснащать его корректором коэффициента мощности или нет. Также коэффициент мощности – cos φ и значение реактивной составляющей потребляемой мощности от сети регламентируется для предприятий. Для крупных заводов, метрополитена и других организаций, где необходимо использование большого количества люминесцентных ламп, уровень реактивной мощности может превысить допустимый уровень. В таких случаях ЭПРА обязательно должен содержать корректор коэффициента мощности.

На рис 1. представлена схема ЭПРА с корректором коэффициента мощности. Как правило, в таких устройствах используется контроллер корректора мощности (MC34063A ON Semiconduktor или TDA4863 Infineon) и контроллер двухтактного полумостового преобразователя.

Рис.1 Схема электронного пускорегулирующего аппарата с корректором коэффициента мощности.

Микросхема ICB1FL02G Infineon включает в себя контроллер коэффициента мощности и контроллер двухтактного полумостового преобразователя – рис.2. Такая интеграция позволяет уменьшить количество внешних компонентов, уменьшить размеры ЭПРА.

Рис.2 Схема электронного пускорегулирующего аппарата на основе микросхемы ICB1FL02G Infineon.

Микросхема позволяет реализовать следующие функции:

• Мягкое включение и предразогрев лампы, что позволяет существенно увеличить срок службы лампы
• Коррекция коэффициента мощности, возможность работы в широком диапазоне питающих напряжений
• Защита от отсутствия лампы в цоколе
• Защита от ёмкостного режима (защита от не зажигания лампы)
• Перезапуск в случае не зажигания лампы
• Возможность работы с одной лампой, двумя и более
• Выходные ключи переключаются при нуле напряжения

Рассмотрим работу балласта. Начнём с корректора коэффициента мощности (ККМ) – Рис.3. ККМ работает в режиме прерывистых токов, что позволяет значительно снизить потери на обратном восстановлении диода. Вначале напряжение питания подаётся на вывод микросхемы VCC через цепь R1, R2, D9, этого хватает для первого старта для корректора мощности. Цепочка R7- R9, C3 связанная с выводом микросхемы PFCVS позволяет контролировать выходное напряжение ККМ. Вывод микросхемы PFCCS – компаратор с порогом 1В, предназначен для измерения тока, протекающего через транзистор, и ограничения в случае перегрузки. Вывод PFCZCD предназначен для считывания входного тока, и детектирования перехода через «0».

Рис.3 Управление корректором коэффициента мощности

На рис. 4 представлена схема управления полумостовым драйвером люминесцентной лампы. Спустя 97мс после запуска корректора мощности запускается полумостовой драйвер на фиксированной частоте 125кГц±10% (мягкий старт 10мс) и микросхема питается через ёмкость C6 и выпрямитель D7 и D8. Мониторинг наличия верхней по схеме нити лампы осуществляется через резисторы R15 – R19 (выводы микросхемы LVS1 и LVS2). Мониторинг нижней нити осуществляется через вывод RES (сигнал подаётся через емкостной делитель C8 и C9), этот вывод также позволяет отслеживать переключение транзисторов при 0 напряжения (ZVS), что позволяет минимизировать динамические потери. В случае если лампа извлекается из цоколя, происходит автоматическая блокировка и перезапуск балласта. При использовании одной лампы вывод LVS2 соединяется с землёй.

После старта микросхема переходит в режим предразогрева лампы Рис.5 , в течение которого происходит прогрев нитей накала лампы, частота задаётся резистором R12, длительность предразогрева задаётся резистором R13. Затем частота плавно снижается, при достижении частоты равной (где Vbus – напряжение на выходе корректора мощности, Vign – напряжение пробоя лампы) происходит пробой лампы, после чего частота снижается до рабочей частоты, которая задаётся резистором R5.

В случае, если лампа по каким-то причинам не зажглась существует опасность возникновения «ёмкостного» режима, то есть когда суммарное реактивное сопротивление цепи L2, C10 стремится к 0 и ток в цепи стремиться к бесконечности. В таком режиме возможен выход из строя выходных транзисторов. В большинстве контроллеров защита от такого режима отсутствует. В микросхеме ICB1FL02G защита реализована через вывод LSCS, ток протекающий через лампу отслеживается через резистор R14. Ограничение тока происходит при 0.8В, если напряжение превысит 1.6В происходит отключение и перезапуск.

Рис.4 Схема управления полумостовым драйвером электронного балласта

Рис.5 Режим старта и предразогрева лампы

Величина дросселя L2 определяется необходимым током через лампу, емкостью конденсатора С10, рабочей частотой в режиме горения. Величина емкости С10 определяется индуктивностью L2, величиной приводящего к зажиганию напряжения на лампе при заданном токе подогрева. Обычно величина ёмкости C10 варьируется в пределах 5.6 – 8.2нФ.

Расчет дросселя ККМ осуществляется по следующей формуле где Vinmax – максимальное входное напряжение сети, Vbus – напряжение питания на выходе ККМ, fmin – минимальная частота преобразования ККМ (обычно выбирается более 20кГц) , PoutPFC – мощность на выходе ККМ.

Максимальный ток на выходе балласта равен , исходя из этого рассчитывается резистор R14 для уровня 0.8В на выводе LSCS Следует отметить что аварийный ток, при котором произойдёт отключение равен - это необходимо учесть при выборе транзисторов по предельно допустимому току стока.

Частотозадающие и времязадающие резисторы рассчитываются по следующим формулам

Где frun – рабочая частота, fph – частота предразогрева лампы, Tph – время предразогрева

При проектировании электронного балласта есть возможность номинал выходного дросселя и номинал дросселя ККМ сделать одинаковым, что позволит унифицировать моточные изделия.

Существует множество контроллеров для электронных балластов, разных фирм производителей IRF (IRS2153, IR2520, IRS2166), Infineon ICB1FL02G, NXP – UBA2021, UBA2014 и многие другие, каждый имеет свой набор функций о них будет написано в последующих статьях.

На фото представлена фотография рабочего электронного балласта, сконструированного на базе микросхемы ICB1FL02G