Д. Панфилов, В. Поляков, Ю. Поляков, А. Барышников

Электронные балласты для трубчатых люминесцентных ламп

    Трубчатые люминесцентные лампы, благодаря повышенной энергоэффективности и своему свойству создавать рассеянный свет, являются идеальными для освещения больших открытых помещений. Они нашли массовое использование для внутреннего освещения в промышленных, общественных и коммерческих зданиях. Однако качество освещения и продолжительность срока службы люминесцентной лампы зависят от устройства, обеспечивающего её зажигание и поддержание рабочего режима. Традиционно электропитание ламп производится током сетевой частоты 50 Гц от электромагнитных пускорегулирующих аппаратов (ПРА), в которых высокое напряжение для зажигания получают от реактора после размыкания биметаллического ключа, обеспечивающего протекание через себя тока накала электродов при замкнутом состоянии контактов.

    Электромагнитные пускорегулирующие аппараты из-за своих известных недостатков (мерцающего света, нестабильности освещённости при колебаниях напряжения сети, повышенного уровня шума, низкого коэффициента мощности, отсутствия возможности управления светом) не позволяют в полной мере раскрыть все возможности освещения с использованием люминесцентных ламп. Устранить эти недостатки и получить дополнительные возможности энергосбережения позволяют электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА), второе название которых — электронные балласты. Современные электронные балласты обеспечивают:

• мгновенное (без мерцаний и шума) зажигание ламп;
• комфортное освещение (приятный немерцающий свет без стробоскопических эффектов и отсутствие шума) благодаря работе в высокочастотном диапазоне;
• стабильность освещения независимо от колебаний сетевого напряжения;
• отсутствие миганий и вспышек неисправных ламп, отключаемых электронной системой контроля неисправностей;
• высокое качество потребляемой электроэнергии — близкий к единице коэффициент мощности благодаря потреблению синусоидального тока с нулевым фазовым сдвигом.

    Электронные балласты являются достаточно дорогими устройствами, однако начальные затраты компенсируются их высокой экономичностью, которая характеризуется:

• уменьшенным на 20 % энерго-потреблением (при сохранении светового потока) за счет повышения светоотдачи лампы на повышенной частоте и более высокого КПД ЭПРА по сравнению с электромагнитным ПРА;
• увеличенным на 50% сроком службы ламп благодаря щадящему режиму работы и пуска;
• снижением эксплуатационных расходов за счёт сокращения числа заменяемых ламп и отсутствия необходимости замены стартеров;
• дополнительным энергосбережением до 80% при работе в системах управления светом.

    Энергоэффективность электронных балластов иллюстрируется диаграммой, приведённой на рис. 1. Преимущества электронных пускорегулирующих аппаратов по сравнению с электромагнитными делают привлекательным их использование для потребителя.

Рис. 1. Энергоэффективность электронных балластов

    Электронные балласты производятся в массовом количестве и имеют высокий спрос на Западе, где интенсивно внедряются энергосберегающие технологии. В настоящее время электронные балласты находят растущее применение в изделиях ведущих электротехнических и светотехнических фирм OSRAM, PHILIPS, GENERAL ELECTRIC, SYLVANIA, TRIDONIC, MOTOROLA LIGHTING и др. В России также растет интерес к электронным балластам как у потребителей, так и у производителей светотехнической продукции. Работы по освоению производства элементной базы и электронных балластов для трубчатых ламп ведутся рядом российских фирм: АО Трансвит (г. Новгород), АО Искра (г. Ульяновск), НПК НЦ (г. Зеленоград), АО Элекс-Электрик (г. Александров), НПЦ СИТ (г. Брянск), ГП “Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе” и другими пред-приятиями. Из ближнего зарубежья особо следует отметить АО Энеф (г. Молодечно), выпускающее относительно широкий спектр электронных балластов и светильников для трубчатых ламп. Перспективы рынка привлекают к проблемам разработки электронных балластов значительное количество специалистов, имеющих опыт в проектировании преобразовательных устройств.

    Современный этап развития техники характеризуется интенсивной разработкой и внедрением микропроцессоров и специализированных контроллеров для управления техническими средствами. Ведущие позиции в создании специализированных микросхем для электронных балластов занимают фирмы Motorola и International Rectifier. На страницах этой статьи авторы хотят поделиться собственным опытом разработки электронных балластов на основе электронных компонентов этих компаний.

    Разработанные устройства являются преобразователями тока сетевой частоты в ток повышенной частоты и содержат необходимые узлы для поддержания оптимального режима зажигания и работы лампы, а также устройства контроля работоспособности ламп и средства защиты от аномальных режимов. Модификации ЭПРА имеют возможность работы с устройствами управления светом. Электронные балласты, предназначенные для установки в двухламповые светильники 2ґ40(36) Вт, 2ґ20(18) Вт, выполнены по схеме, представленной на рис. 2, и содержат следующие узлы: сетевой узел защиты, сетевой фильтр, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, инвертор, узел защиты, модуль управления.

Рис. 2. Схема ЭПРА для светильника 2 х 40(36) Вт

    При разработке учитывались особенности люминесцентных ламп, являющихся нагрузкой преобразователя [1,2], и требования ГОСТ [3,4].

1. Применение активного корректора коэффициента мощности решает проблемы совместимости с питающей сетью. Корректор выполнен по схеме повышающего импульсного преобразователя на мощном МОП-транзисторе MTP3N60E, управление которым производится от специализированной интегральной микросхемы МС33262 фирмы Motorola [5], что обеспечивает энергопотребление с коэффициентом мощности в но-минальном режиме на уровне 0,98. Корректор коэффициента мощности формирует квазисинусоидальный ток в реакторе, включённом на выходе выпрямителя, а сетевой фильтр снижает уровень высокочастотных гармоник в потребляемом токе. Как видно из представленных в табл. 1 данных, коэффициент мощности имеет высокое значение при всех возможных режимах в диапазоне из-менения напряжения 220 В ± 15%. Осциллограммы сетевого напряжения и потребляемого тока приведены на рис. 3. Вторым положительным свойством применения корректора является высокая стабильность освещённости при изменении напряжения питающей сети за счёт стабилизации напряжения в промежуточной цепи постоянного тока. Напряжение питания инвертора стабилизируется на уровне 400 В, что обеспечивает высокую стабильность выходных параметров при колебаниях сетевого напряжения. Как видно из табл. 1, ток лампы остаётся неизменным при колебаниях сетевого напряжения от 190 до 250 В.

   

   Рис. 3. Осциллограммы сетевого напряжения и потребляемого тока

   Таблица 1. Результаты испытаний ЭПРА

   Напряжение сети U, В	Потребляемая мощность РК, Вт	Напряжение на лампе UH, B	Ток лампы IH, A	Потребляемый ток IC, A	Коэффициент мощности
   ЭПРА 2 х 40 Вт
   220	85	107	0,37	0,39	0,98
   250	85	107	0,37	0,35	0,98
   190	85	107	0,37	0,46	0,97
   ЭПРА 2 х 20 Вт
   220	42	57	0,35	0,19	0,98
   250	42	57	0,35	0,17	0,98
   190	42	57	0,35	0,23	0,97

   
   
   
2. Сетевой фильтр помимо сглаживания высокочастотных пульсаций потребляемого тока, возникающих при работе активного корректора коэффициента мощности, осуществляет подавление радиопомех, генерируемых ЭПРА. Наличие актив-ного корректора и сетевого фильтра обеспечило выполнение стандарта МЭК IEC 1000-3-2, жёстко регламентирующего уровень высших гармонических составляющих потребляемого тока.
       На входе сетевого фильтра включён традиционный узел защиты от сетевых перенапряжений, включающий варистор и предохранитель. Соединённый последовательно с предохранителем терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления ограничивает бросок входного тока, обусловленный зарядом ёмкостного фильтра на входе инвертора при подключении ЭПРА к сети.
3. Регулируемый высокочастотный инвертор питает лампы током повышенной частоты. Инвертор выполнен на силовых МОП-транзисторах МТР6N60E для варианта 2ґ40(36) Вт и MTP3N60E для варианта 2ґ20(18) Вт. Для управления силовыми МОП-транзисторами инвертора используется специализированная интегральная микросхема высоковольтного драйвера IRF2155 [6], что обеспечивает надёжный запуск и стабильную работу ЭПРА в широком диапазоне температур.
       Длительность предварительного прогрева электродов определяется времязадающей цепью модуля управления, а ток — частотой и параметрами резонансного контура. Рабочая частота f в процессе зажигания лампы управляется, как это показано на рис. 4, оставаясь неизменной на участке t0–t1 и плавно уменьшаясь до частоты, близкой к резонансной f0, на участке t1–t2. Минимальная частота модуляции инвертора определяется времязадающей цепью, включающей резистор R1 и конденсаторы С1 и С2. Максимальная частота соответствует состоянию, при котором конденсатор С1 отсоединён от общей шины питания. Регулирование частоты производится управляющим модулем путём изменения условия заряда конденсатора С1.
       Регулирование света осуществляется изменением частоты модуляции инвертора от 40 до 75 кГц. Модуль управления обеспечивает потенциальную развязку и преобразование стандартного сигнала управления в напряжение, воздействующее на узел управления частотой переключения транзисторов инвертора. Для управления используется ШИМ-модулированный сигнал согласно ГОСТ Р МЭК 929-98.
   

   

   Рис. 4. Изменение рабочей частоты и тока лампы в процессе зажигания

4. Узел защиты контролирует состояние ламп и обеспечивает отключение электропитания при их отсутствии и неисправности. Осуществляется слежение за током, потребляемым инвертором и напряжением на каждой из ламп. При превышении заданного уровня тока или напряжения в течение определённого времени, а также при обрыве контура нагрузки происходит срабатывание защиты. В качестве исполнительного элемента узла защиты используется тиристор. Он замыкает цепь питания высоковольтного драйвера, напряжение питания на выводе 1 опускается ниже порога 8 В, что приводит к прекращению подачи отпирающего напряжения на МОП-транзисторы и их выключению. Тиристор удерживается в открытом состоянии током, замыкающимся через балластный резистор. При этом сопротивление балласта таково, что ток тиристора превышает справочное значение тока удержания и остаётся во включённом состоянии до снятия пи-тающего напряжения с ЭПРА.
5. Питание узлов управления ЭПРА, включая микросхемы IR2155 и MC33262, осуществляется от сетевого выпрямителя через балластный резистор. Существенно сократить его мощность, улучшив КПД электронного балласта, позволило использование тока сглаживающей RC-цепи (цепи снаббера), подключенной к точке соединения транзисторов инвертора, для питания системы управления. Схема построена таким образом, что на начальном этапе запускается система управления инвертором и далее, с небольшой задержкой, цепь питания MC33262. После запуска микросхемы корректора коэффициента мощности подпитка её цепи питания происходит от дополнительной обмотки реактора повышающего преобразователя [6].
   

    Основные технические характеристики электронных балластов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные технические характеристики ЭПРА

    ЭПРА имеет малую массу и относительно небольшие габариты, заменяя два дросселя, два стартера и конденсаторы для компенсации реактивной мощности и снижения стробоскопического эффекта. Внешний вид электронного балласта для светильников 2ґ40(36) Вт приведён на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид ЭПРА для светильников 2 х 40 (36) Вт

    Опыт работы показывает, что при проектировании ЭПРА на интегральных микросхемах и силовых МОП-транзисторах следует придерживаться рекомендаций фирм — разработчиков микросхем и некоторых правил, выполнение которых позволяет избежать излишнего расточительства и сократить сроки разработки. Многие приводимые ниже рекомендации покажутся очевидными для опытного разработчика, однако могут оказаться полезными для начинающих специалистов.

    Помехозащищенность. Общими методами и средствами повышения помехозащищённости являются: правильная разводка печатной платы, исключающая образование си-лового контура большой площади и обеспечивающая протекание тока с высоким значением di/dt по проводникам минимальной длины; подключение параллельно электролитическим конденсаторам конденсаторов с малой внутренней индуктивностью и их установка в непосредственной близости от переключающих силовых транзисторов; установка керамических конденсаторов непосредственно на выводы питания управляющих микросхем; минимальная длина проводников от истока и затвора силового МОП-транзистора до выводов управляющей микросхемы.

    Для повышения помехозащищённости высоковольтного драйвера IR2155 следует принять ряд дополнительных мер. Установка резисторов в цепи затвора силовых транзисторов, а также использование сглаживающей RC-цепи на выходе инвертора, устраняет возможность срабатывания (защёлкивания) паразит-ного тиристора в структуре КМОП драйвера затвора за счёт снижения уровня паразитных ёмкостных токов, пропорциональных скорости изменения напряжения на силовых транзисторах в режимах переключения. Одновременно для защиты транзистора от самовключения параллельно резистору в цепи затвора рекомендуется подключить диод [6]. Конденсатор сглаживающей RC-цепи должен быть рассчитан таким образом, чтобы его полный перезаряд обеспечивался выходным током инвертора за время паузы между отпирающими импульсами верхнего и нижнего транзисторов. Это время неизменно и составляет 1,2 мкс.

    Однако и эти меры оказываются недостаточными, если в процессе работы электронного балласта возникает режим, при котором нагрузка имеет ёмкостной характер. Этот режим соответствует работе на частоте f ниже резонансной f0 и возможен при неправильном расчёте частоты модуляции, параметров резонансного контура (индуктивности реактора и ёмкости пускового конденсатора) или сбоях в системе управления. Он проявляется на этапе зажигания лампы или при аварийном режиме, приводящем к возникновению на выходе инвертора контура с высокой добротностью. В отличие от благоприятного режима (при индуктивном характере нагрузки), когда во включённом состоянии транзистор замыкает на себя ток после его перехода с собственного диода, а заряд и разряд конденсатора сглаживающей RC-цепи осуществляется выходным током инвертора, при ёмкостном характере нагрузки транзистор включается на ток нагрузки, одновременно осуществляя через свою структуру разряд конденсатора сглаживающей RC-цепи и разряд собственной ёмкости сток–исток. Такой режим характеризуется ростом динамических потерь в силовых транзисторах, высокой скоростью изменения напряжения на транзисторах и, соответственно, высоким уровнем ёмкостных токов, что ведёт к снижению помехозащищённости управляющей микросхемы. Усугубляет положение аварийный режим, сопровождающийся многократным возрастанием тока нагрузки по отношению к номинальному и ростом перенапряжений на паразитных индуктивностях. Как правило, этот режим ведёт к выходу из строя управляющей микросхемы и силовых МОП-транзисторов. Учитывая изложенные выше негативные явления, разработчики должны правильным расчётом схемы и построением системы управления обеспечить работу инвертора в безопасной области.

    Облегченным вариантом приведённого выше режима является режим холостого хода. Однако электронный балласт не может продолжительно работать в этом режиме из-за высоких динамических потерь в МОП-транзисторах, приводящих к недопустимому росту температуры полупроводниковой структуры. Устройство защиты должно контролировать появление этого режима, прекращать генерацию управляющего напряжения, обеспечивая надёжное запирание силовых транзисторов.

    Уровень генерируемых радиопомех. Источником создаваемых ра-диопомех являются силовые транзисторы инвертора и корректора коэффициента мощности. Поэтому целесообразно по возможности снизить скорости изменения напряжения на них путём использования сглаживающих RC и RCD-цепей, например, как это показано на рис. 2. Наиболее мощным источником радиопомех является транзистор корректора коэффициента мощности. При этом возможно появление резонансных явлений на частоте модуляции ключа. Поэтому наличие сложного сетевого фильтра для сглаживания тока и подавления симметричных помех является оправданным. Как показывает опыт, следует стремиться к возможно большей индуктивности сглаживающего реактора фильтра, избегая его насыщения во всём диапазоне изменения входного тока.

    Устойчивость системы. Корректор коэффициента мощности является наиболее насыщенным по числу обратных связей. Имеются цепи контроля входного и выходного напряжения. Осуществляется слежение за амплитудой тока в реакторе с использованием датчика тока в цепи истока силового транзистора, а также контролируется момент снижения тока реактора до нулевого уровня. Устойчивость корректора, а также форма кривой потребляемого тока зависят от значения и уровня пульсаций напряжения в промежуточной цепи постоянного тока (цепи питания инвертора) и значения сетевого напряжения. Для обеспечения устойчивости системы при работе в диапазоне сетевых напряжений до 250 В следует повышать уровень постоянного напряжения на выходе корректора до уровня 400–420 В при удержании соотношения между ёмкостью конденсатора фильтра и мощностью электронного балласта на уровне не ниже 1 мкФ/Вт.

    В настоящее время появилось новое поколение специализированных контроллеров для электронных балластов более высокой степени интеграции. К ним относятся интегральные микросхемы IR2157 фир-мы International Rectifier и MC33157DW фирмы Motorola. Микросхемы, как и IR2155, предназначены для управления МОП-транзисторами инвертора электронного балласта. Однако интегрированная система защиты от аномальных режимов, защита от работы при пониженном сетевом напряжении и работы на частотах ниже резонансной, интегрированная система пуска и автоматического перезапуска, возможность регулирования задержки импульсов управления силовыми транзисторами и ряд других встроенных функций существенно упрощают процесс разработки и делают привлекательными эти микросхемы для специалистов, проектирующих электронные балласты [7,8].

    Авторы выражают благодарность фирме Hewlett-Packard за оборудование (осциллограф HP 54645D и генератор сигналов НР 33120А), которое было предоставлено кафедре “Промышленной электроники” МЭИ и использовано в процессе проведения разработки электронных балластов.

Литература

1. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат. — 1991. — 720 с.
2. Краснопольский А.Е. и др. Пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп/ А.Е. Краснопольский, В.Б. Соколов, А.М. Троицкий. Под общ. ред. А.Е. Краснопольского. — М.: Энергоатомиздат. — 1988. — 206 с.
3. ГОСТ Р МЭК 928-98. Аппараты пускорегулирующие электронные, питаемые от источников переменного тока, для трубчатых люминесцентных ламп. Общие требования и требования безопасности.
4. ГОСТ Р МЭК 929-98. Аппараты пускорегулирующие электронные, питаемые от источников переменного тока, для трубчатых люминесцентных ламп. Требования к рабочим характеристикам.
5. Energy efficient semiconductors for lighting. BR480/D rev 1., Motorola, 1997, 88 p.
6. Силовые полупроводниковые приборы. International Rectifier. Книга по применению. Пер. с англ. под ред. В.В. Токарева. — Воронеж: Издательство ТОО МП “Элист”. — 1995. — 661 с.
7. http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2157.pdf.
8. http://mot2.mot-sps.com/books/dl128/pdf/mc33157DW.pdf.
9. Панфилов Д.И., Поляков В.Д., Поляков Ю.Д., Барышников А.Н. Элект-ронный пускорегулирующий аппарат для дуговых натриевых ламп // Chip News. — 1999. — № 4. — С. 29–31.