Специализированные микросхемы для электронных балластов

Бурное развитие энергосберегающих технологий в светотехнической промышленности сопровождается появлением и широким внедрением интегральных схем (ИС), предназначенных для управления электронными балластами газоразрядных осветительных ламп [1-6]. Ведущие позиции в области создания специализированных ИС для управления электронными балластами занимают фирмы InternatiOnal Rectifier, ST Microelectronics (SGS-Microelectronics) и Motorola. Данная статья является аналитическим обзором и посвящена вопросам использования высоковольтных ИС этих фирм для управления электронными балластами люминесцентных ламп, выполненными на базе полумостового инвертора на МОП-транзисторах. Особенностью этих ИС является наличие интегрированного выходного драйвера плавающего уровня с максимальным рабочим напряжением 600 В.
    ИС серий IR215*(InternatiOnal Rectifier), МС2151 (Motorola), L6569, L6571 (SGS-Micro-electronics), а также микросхемы с интегрированны-ми силовыми транзисторами IR51H*** (International Rectifier) находят растущий интерес у отечественных разработчиков и производителей электронных пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп в силу своих привлекательных качеств, а именно, стабильно-сти характеристик, низкого потребления, отсутствия необходимости в специальном источнике с потенциальной развязкой по цепям управления нижнего и верхнего силовых МОП-транзисторов, а также возможности управления частотой. Имеются сведения о работах по созданию отечественных аналогов этих популярных микросхем, что позволяет надеяться на их появление в недалёком будущем. Наиболее широко представлены на российском рынке упомянутые выше изделия InternatiOnal Rectifier. Между тем, InternatiOnal Rectifier, Motorola и ST Microelectronics практически одновременно заявили о своих новых контроллерах IR2157, MC33157DW и L6574, обладающих расширенными функ-циональными возможностями.
    Микросхемы IR215*, L6569, L6571 и МС2151 выпускаются в корпусах DIP8 и SO8 (для поверхностного монтажа), имеют сходную структуру и функциональное совпадение по выводам. Блок-схема наиболее популярной микросхемы IR2155 приведена на рис. 1. Общим для ИС является наличие генератора на базе популярного таймера серии 555 и двух выходных каналов для управления МОП-транзисторами. Один из каналов привязан к общей шине. Второй является плавающим, обеспечивая функционирование высоковольтной части схемы ключа. ИС имеют защиту от сквозных токов за счёт временной задержки (1,2 мкс) по каналам управления транзисторов обоих плеч полумоста, узел стабилизации напряжения питания микросхемы и защиту от снижения питающего напряжения.

Рис. 1. Блок-схема ИС IR2155

Типовое подсоединение ИС в полумостовом инверторе приведено на рис. 2. Питание микросхем (вывод VСС) осуществляется от силовой цепи через балластный резистор. Частота работы устанавливается путём подключения к выводам RT, CT и СОМ времязадающих резистора и конденсатора. Питание драйвера верхнего уровня (выводы VB и VS), находящегося под плавающим потенциалом, производится от конденсатора, который заряжается через bootstrap-диод от цепи VСС при включении нижнего силового МОП-транзистора. В ИС L6569 bootstrap-диод интегрирован в структуру микросхемы [4].

Рис. 2. Типовое включение ИС драйвера в полумостовом инверторе

Варианты схем балластов, управляемых от ИС IR2155, приведены на рис. 3 и 5. Помимо функции поддержания рабочего тока лампы, определяемого рабочей частотой генератора, индуктивностью выходного реактора и значением напряжения питания инвертора, балласт содержит дополнительные элементы, обеспечивающие выполнение функций предварительного прогрева электродов, выхода на частоту зажигания лампы, защиты электронного балласта в аномальных режимах, возникающих при отсутствии лампы или её неисправности.

Рис. 3. Схема электронного балласта

Предварительный прогрев электродов производится током на частоте в 1,5–2 раза выше резонансной. Изменение частоты осуществляется при помощи транзисторного ключа путём коммутации дополнительного конденсатора, например, как это показано на рис. 3. Продолжительность предварительного прогрева определяется временем заряда конденсатора С1 до порогового значения, определяемого стабилитроном VD2. Диод VD1 способствует быстрому разряду конденсатора С1 при отключении балласта или кратковременном пропадании силового питания, что гарантировано обеспечивает повторный пуск на повышенной частоте с предварительным прогревом электродов. Осциллограммы, поясняющие процесс пуска, приведены на рис. 4.

Рис. 4. Осциллограммы, поясняющие процесс пуска

Недостатком ИС является изменение частоты при изменении напряжения питания в процессе пуска. При малом напряжении частота более низкая и растёт с ростом напряжения питания, что может вызывать ложное преждевременное включение лампы. Устранение этого негативного явления может быть достигнуто за счёт повышения частоты осцилляции на время, необходимое для стабилизации питающего напряжения. Один из способов — включение стабилитрона в цепь времязадающего конденсатора (рис. 5). При таком подключении частота осцилляции, более высокая при низком напряжении VСС, соответствующем запуску ИС, уменьшается с его увеличением и достигает своего минимального значения при стабилизации VСС.

Рис. 5. Вариант схемы электронного балласта для двух ламп

Для снижения потерь мощности на потребление после запуска используется схема дополнительного питания от силовой цепи через демпфирующую RC-цепь (snubber) инвертора. Схема подкачки, используемая в приведённых электронных балластах, совмещена со схемой защиты. Резистор снаббера (R7) является датчиком тока. Поскольку время протекания тока невелико (не более 1, 2 мкс), возможно получение сильного сигнала при незначительных потерях мощности в резисторе.
    Неисправности, вызванные дезактивацией электродов или нарушением герметичности трубки, приводят к возникновению так называемой “открытой схемы” (лампа не зажигается) и сопровождаются значительным ростом напряжения на пусковом конденсаторе и ростом тока балласта на частоте резонанса, ограниченными лишь добротностью контура. Как правило, длительная работа в этом режиме ведёт к повреждению балласта за счёт перегрева транзисторов или вызывает сбои, приводящие к повреждению ИС и силовых МОП-транзисторов из-за повышенного уровня помех, вызванных сверхтоками. Защита осуществляется путём контроля напряжения на лампе или выходного тока. При превышении ими заданных значений закорачивается цепь питания ИС, что вызывает срабатывание внутренней защиты по напряжению или закорачивание входа CT микросхемы, что блокирует работу генератора. Исполнительным элементом устройства защиты может быть, например, тиристор со стабилитроном в цепи управляющего электрода, выполняющим функцию порогового элемента (рис. 3), или динистор (рис. 5).
    Отсутствие лампы или перегорание её электрода(ов) эквивалентно режиму холостого хода (х.х.). В этом режиме отпирание транзистора сопровождается протеканием через его структуру тока разряда демпфирующего конденсатора и тока разряда собственных паразитных конденсаторов, что также приводит к перегреву и выходу из строя силовых МОП-транзисторов. Защита осуществляется путём слежения за током МОП-транзистора. Один из возможных вариантов защиты использован в схеме на рис. 3. Напряжение, пропорциональное току, выделяется на резисторе R7 и поступает на вход порогового элемента. Амплитуда тока заряда конденсатора многократно превышает ток в рабочем режиме, что вызывает срабатывание порогового элемента и включение тири-стора, замыкающего цепь питания. Для ускорения работы защиты может быть использован диод VD16, подключённый между времязадающим конденсатором и анодом тиристора VS1. Аналогично работает защита в устройстве, изображенном на рис. 5.
    В рассмотренных выше вариантах реализуется защита с запоминанием. Осциллограммы, поясняющие работу защиты, приведены на рис. 6. Повторное включение возможно лишь при снятии силового напряжения.

Рис. 6. Осциллограммы, поясняющие работу защиты, если лампа не зажигается

Простейшей защитой при отсутствии лампы является подключение балластного резистора через электрод лампы (например, рис. 3). При отсутствии лампы цепь питания разомкнута, и транзисторы инвертора заперты. При установке лампы цепь питания восстанавливается, и процесс пуска проходит по полному циклу. На рис. 5 изображён вариант защиты для балласта, предназначенного для двух ламп. Здесь питание микросхемы прекращается лишь при отсутствии обеих ламп.

Рис. 7. Вариант управляемой ИС

ИС имеют возможность управления частотой, что достигается изменением уровня напряжения на конденсаторе за счёт введения в его цепь источника напряжения на этапе заряда. Одно из возможных схемных решений, реализующих управление, приведено на рис. 7. Транзистор VT1 работает в режиме эмиттерного повторителя, на базу которого подаётся напряжение управления. Изменение напряжения управления ведёт к изменению условий заряда конденсатора С1 и, соответственно, к изменению частоты. При этом с повышением напряжения частота увеличивается. Осциллограмма напряжения на выводе Ст приведена на рис. 8.

Рис. 8. Осциллограмма напряжения на выводе C_T в управляемой ИС

При использовании ИС с высоковольтным драйвером разработчикам приходится решать непростые проблемы помехозащищённости. Следует использовать технику соединения, предотвращающую влияние сильноточных контуров общей шины на работу времязадающих компонентов, что позволяет защитить чувствительную схему управления от рабочего шума выходных ключей. Кроме того, чрезвычайно важны выбор компонентов и их расположение на плате. В качестве примера может служить структура соединений, приведённая на рис. 7. Силовая общая шина обходит цепь времязадающих компонентов. Электролитический конденсатор цепи питания VСС и шунтирующий его керамический конденсатор подсоединены непосредственно к выводу СОМ, а не через отдельные проводники или перемычки к другим дорожкам общей шины на плате. Керамический конденсатор питания драйвера плавающего уровня подключён непосредственно между выводами питания VS и VB ИС.
    Микросхемы серии IR51Hxxx включают в себя драйвер IR2151 и два силовых МОП-транзистора, соединённых в полумостовую схему инвертора. В таблице приведены типовые характеристики микросхем в зависимо-сти от типа используемых транзисторов. При создании электронных балластов на базе микросхем этой серии могут быть использованы схемотехнические решения, как и для балластов с драйверами IR215x, в том числе, рассмотренные выше.

Таблица. Параметры микросхем серии IR51Hxxx

Авторы выражают благодарность фирме HEWLETT-PACKARD за оборудование (осциллограф HP54645D и генератор сигналов HP33120A), которое было любезно предоставлено кафедре “Промышленной электроники” МЭИ и используется в процессе научно-технических разработок электронных балластов.

Литература

• Панфилов Д.И., Поляков В.Д., Поляков Ю.Д., Барышников А.Н. Электронные балласты для трубчатых люминесцентных ламп // Инженерная микроэлектроника. — 1999. — № 2. — C. 18–22.
  
• www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2155.pdf.
  
• www.irf.com/technical-info/designtp/dt98-1.pdf.
  
• http://us.st.com/stonline/books/pdf/docs/4690.pdf.
  
• www.irf.com/technical-info/appnotes/an-995a.pdf.
  
• Поляков В.Д. Пускорегулирующее устройство. Полезная модель РФ по заявке № 99110134/40 от 31.05.99 г.
  
  
  

  ---