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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA
Balastos electrónicos. Balasto electrónico en el chip UBA2021. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Balastos para lámparas fluorescentes Considere un balasto electrónico implementado en un microcircuito UBA2021. El diagrama esquemático del balasto electrónico para una lámpara fluorescente con una potencia de 58 W se muestra en la fig. 3.31. El "corazón" del balasto electrónico es el chip UBA2021. Este IC especializado está diseñado para funcionar con lámparas fluorescentes convencionales y compactas. El UBA2021 incluye un controlador de alto voltaje con circuito de disparo, un generador y un temporizador que brindan control durante las etapas de arranque, calentamiento, encendido y quemado de la lámpara, así como protección contra el modo capacitivo. El IC soporta voltajes de hasta 390 V y picos de voltaje a corto plazo (t < 0,5 s) de hasta 570-600 V. El voltaje de suministro de bajo voltaje se fija internamente, lo que elimina la necesidad de instalar un diodo zener externo. La fijación se lleva a cabo con corrientes de hasta 14 mA con ráfagas de corta duración (t < 0,5 s) de hasta 35 mA. El diagrama de bloques de UBA2021 se muestra en la fig. 3.32. El microcircuito está hecho en una caja de plástico con 14 pines (ya sea DIP-14 o SO-14). Asignación de pines del chip UBA2021 se dan en la tabla. 3.5. Tabla 3.5. Asignación de pines del chip UBA2021
El balasto electrónico funciona en el rango de tensión de red de 185-265 V a una frecuencia de 50-60 Hz. El control automático mantiene la potencia de combustión de la lámpara entre 47,6 y 50,3 W cuando el voltaje de la red cambia entre 200 y 260 V. El UBA2021 controla el funcionamiento de los potentes MOSFET PHX3N50E, que son las claves de un inversor de medio puente, que se alimenta de la red con una tensión nominal de 23 In i1 con una frecuencia de 50-60 Hz. Esto proporciona el cambio necesario en los niveles de potencia de los transistores de efecto de campo, lo que brinda protección contra la operación capacitiva. Las principales ventajas de este producto son una pequeña cantidad de componentes externos y un bajo costo debido al uso del IC UBA2021, que puede proporcionar la máxima flexibilidad de diseño con una cantidad mínima de elementos periféricos. Considere el funcionamiento del circuito con más detalle.. El voltaje de la red de CA se convierte mediante un puente rectificador de cuatro diodos (o puente de diodos) y un condensador de filtrado en un voltaje de CC (310 V) que alimenta el inversor de medio puente. El filtro de red de supresión de ruido evita la penetración de interferencias en la red. El inversor de medio puente pertenece a un grupo de convertidores de voltaje resonante de alta frecuencia, que son convenientes para encender lámparas de descarga de gas. El principio aplicado de conmutación de voltaje cero de dos potentes MOSFET permite reducir sus pérdidas de conmutación y garantiza una alta eficiencia del balasto. Después de aplicar el voltaje de la red, primero se precalienta la lámpara fluorescente. Esto se denomina arranque suave y garantiza un funcionamiento fiable y duradero de la lámpara. El valor de la corriente de calentamiento está regulado por el chip UBA2021. Esta corriente que pasa a través de los filamentos de la lámpara calienta los electrodos de la lámpara a una temperatura suficiente para emitir electrones. El calentamiento reduce el voltaje de encendido de la lámpara, lo que reduce las cargas eléctricas de choque en los elementos del circuito. Después de encender, la tensión de red rectificada se suministra al condensador de reserva C4 a través de la resistencia R1 (Fig. 3.31), que limita el pico de corriente. El capacitor suaviza las ondas de voltaje al doble de la frecuencia de la red. El voltaje de alto voltaje resultante VHV (310 V) CC es la fuente de alimentación para un inversor de medio puente, cuyos componentes de potencia incluyen transistores VT1, VT2, bobina L1, condensadores C5, C6, C7 y una lámpara EL1. En la etapa de arranque, la corriente del condensador de alto voltaje C4 pasa a través de la resistencia R2, el filamento de la lámpara, la resistencia R7, los terminales 13 y 5 del chip UBA2021, conectados entre sí durante el período de arranque por una llave interna, y carga los capacitores de potencia de bajo voltaje C9, C11 y C13. Tan pronto como la tensión de alimentación VS en C13 alcanza un valor de 5,5 V, el UBA2021 cambia, por lo que el transistor VT2 se abre y el transistor VT1 se cierra. Esto permite cargar el condensador de arranque C12 a través del circuito interno del microcircuito. El voltaje de suministro VS continúa aumentando, y en VS > 12 V, el oscilador interno del microcircuito comienza a generar. El consumo de corriente del IC se fija internamente en unos 14 mA. Luego viene la transición a etapa de calentamiento. En ausencia de una lámpara, el inicio se bloquea automáticamente, porque en este caso se rompe el circuito de carga del condensador de arranque. En la etapa de calentamiento, los MOSFET VT1 y VT2 se transfieren alternativamente a un estado conductor. Esto genera un voltaje de CA de onda cuadrada en el punto medio del medio puente con una amplitud de VHV. La frecuencia de oscilación inicial es de 98 kHz. En estas condiciones, el circuito, que consta de C8, VD5, VD6, C9 y SU, puede realizar la función de una fuente de alimentación de bajo voltaje, que durante el arranque proporcionó corriente a través del pin 13 del IC. Durante un intervalo de tiempo aproximadamente igual a 1,8 s (tiempo de calentamiento tPRE), cuya duración está determinada por los valores de C16 y R8, el sistema está en modo de calefacción. Al mismo tiempo, una corriente controlada* pasa a través de los filamentos de la lámpara, lo que permite un calentamiento óptimo de ambos electrodos de la lámpara. Los electrodos calentados emiten (emiten) una gran cantidad de electrones hacia la lámpara y, en este estado, se requieren voltajes mucho más bajos para encenderla, lo que minimiza las cargas eléctricas de choque en los elementos del circuito y la lámpara en el momento de la ignición. El calentamiento de los electrodos es muy importante para garantizar una larga vida útil de la lámpara (alrededor de 20 mil horas). Después del inicio de la generación, una pequeña corriente alterna comienza a fluir desde el punto medio del medio puente a través de los filamentos de la lámpara, L1 y C7. La frecuencia de oscilación disminuye gradualmente, lo que conduce a un aumento correspondiente en la magnitud de la corriente. La tasa de reducción de frecuencia está determinada por la capacitancia del capacitor C14 y la fuente de corriente interna del IC. La frecuencia deja de caer tan pronto como se alcanza un cierto valor de voltaje de CA a través de las resistencias R5 y R6, que son sensores de corriente de calentamiento. Durante toda la fase de calentamiento, la frecuencia del inversor de medio puente se mantiene por encima de la frecuencia resonante del circuito L1C7 (55,6 kHz), y debido a esto, el voltaje en C7 aún es pequeño para encender la lámpara. Consejo. Es muy importante mantener este voltaje lo suficientemente bajo, porque el encendido prematuro, llamado frío, conduce a un desgaste rápido de los electrodos de la lámpara. El valor de la inductancia de la bobina de balasto L1 está determinado por la corriente requerida a través de la lámpara, la capacitancia del capacitor de encendido C7 y la frecuencia de operación en el modo de combustión. La capacitancia mínima C7 está determinada por la inductancia L1, el voltaje en la lámpara, que no conduce a la ignición, a una corriente de calentamiento dada, y el voltaje mínimo de la red. Como resultado, el valor de la capacitancia C7, igual a 8,2 nF, resulta óptimo para calentar. Después del final de la fase de calentamiento, el UBA2021 reanuda una mayor reducción de la frecuencia de conmutación del medio puente hasta la frecuencia más baja fb (39 kHz). Sin embargo, ahora la reducción de frecuencia se realiza mucho más lentamente que en la etapa de calentamiento. La frecuencia de conmutación se cambia a la frecuencia resonante de un circuito en serie que consta de la inductancia L1 y la capacitancia total del capacitor C7 y los electrodos de la lámpara (55,6 kHz), y las resistencias de los capacitores de bloqueo de CC C5 y C6 son bastante pequeñas. . El valor máximo de la tensión de encendido en el peor de los casos (cuando tanto la luminaria como el circuito del balasto electrónico están conectados a la tierra de protección de la red) para una lámpara TL-D 58W a bajas temperaturas es de aproximadamente 600 V. La combinación del inductor de balasto L1 y el capacitor de encendido C7 se selecciona de tal manera que el voltaje en la lámpara pueda exceder estos 600 V requeridos para un encendido confiable El valor del voltaje de encendido determina el valor máximo de la capacitancia C7 para una inductancia L1 dada , seleccionado en base a la frecuencia más baja fv UBA2021. La frecuencia más baja fv está establecida por los valores R8, C15. La duración máxima posible de la fase de encendido tIGN igual a 1,7 s (es 15/16 de tPRE); se establece seleccionando C16 y R8. Supongamos que la lámpara se enciende en el curso de la reducción de la frecuencia; luego la frecuencia disminuye al valor mínimo /v. UBA2021 puede hacer la transición a la fase de grabación dos caminos:
Durante la fase de combustión, la frecuencia de oscilación en el circuito suele reducirse a fв (39 kHz), que se puede utilizar como frecuencia operativa nominal. Sin embargo, debido al uso de control automático en balastos electrónicos, la frecuencia de oscilación depende de la cantidad de corriente que fluye a través del pin 13 (pin RHV) del UBA2021 IC. El control automático comienza a funcionar después de alcanzar fв. El control automático estabiliza en gran medida el flujo luminoso emitido por la lámpara en un amplio rango de variaciones de tensión de red. Durante la fase de arranque, los capacitores de suministro de bajo voltaje C9, C10 y C13 se cargan con la corriente que fluye desde el capacitor de alto voltaje C4 a través de R2, el filamento de la lámpara, R7 y los terminales conectados internamente 13 y 5 del UBA2021. En la etapa de combustión, se produce una reconmutación. En lugar del pin 5, el pin 13 resulta estar conectado al pin 8. Ahora la corriente que fluye a través de las resistencias R2 y R7 se usa como parámetro de información en el sistema de control automático de frecuencia de conmutación del inversor de potencia, ya que la fuerza de esta corriente es proporcional a el nivel de la tensión de red rectificada. La ondulación con el doble de la frecuencia de la red (100-120 Hz) se filtra con el condensador C16. Como resultado, el flujo luminoso emitido por la lámpara permanece casi constante cuando la tensión de red cambia en el rango de 200 a 260 V. A frecuencias superiores a 10 kHz, la lámpara se puede considerar como una carga resistiva. La salida de luz de las lámparas tubulares excitadas a frecuencias superiores a 10 kHz es significativamente mejor que cuando se alimentan a una frecuencia de 50-60 Hz. Esto significa que una lámpara TL-D 58W con fuente de alimentación de alta frecuencia de 50W emite el mismo flujo luminoso que una lámpara TL-D 58W con fuente de alimentación de 58W a una frecuencia de 50-60 Hz. El punto de funcionamiento en régimen permanente de un TL-D 58W conectado al balasto se caracteriza por una tensión de lámpara de 110 V y una corriente de lámpara de 455 mA, lo que corresponde a una fuente de alimentación de 50 W. El valor de la inductancia de la bobina de balasto L1 está determinado por el punto de funcionamiento de la lámpara, la capacitancia del condensador de encendido C7 y la frecuencia de funcionamiento, que es aproximadamente igual a 45 kHz a una tensión de red nominal de 230 V. La potencia de accionamiento de la lámpara deseada se puede lograr con varias combinaciones de inductancia L1 y capacitancia C7. La elección de una combinación específica depende de factores tales como el modo de calentamiento, el voltaje de encendido mínimo requerido y las tolerancias en los parámetros de los componentes del circuito. En la mayoría de los casos, la combinación de una bobina de choque L1 con una inductancia de 1 mH y un condensador de encendido C7 con una capacidad de 8200 pF es óptima. Para proteger los elementos del circuito de potencia de sobrecargas significativas, el microcircuito tiene una función de protección incorporada del modo de operación capacitivo, que está activo en las etapas de encendido y combustión. El chip UBA2021 verifica la caída de voltaje en R5 y R6 durante el encendido del transistor VT2 en cada ciclo del inversor. Si este voltaje es inferior a 20 mV, lo que significa que el circuito está funcionando en modo capacitivo, el UBA2021 comienza a aumentar la frecuencia de conmutación a un ritmo mucho mayor que el que disminuyó durante las etapas de calentamiento y encendido. Como resultado, la frecuencia de conmutación excederá la frecuencia de resonancia. Cuando desaparecen los signos del modo capacitivo, la frecuencia de conmutación vuelve a disminuir a la requerida. La protección contra la extracción de la lámpara la proporciona el método de suministro de bajo voltaje para el UBA2021. Cuando se quita la lámpara, el voltaje de CA en el capacitor C6 se vuelve cero, lo que conduce a la desaparición de la fuente de alimentación de bajo voltaje del IC. Después de sustituir la lámpara sin apagar el balasto electrónico, el funcionamiento del circuito se reanudará desde la fase de arranque. Y, finalmente, es imposible encender el balasto electrónico en ausencia de una lámpara; después de todo, en este caso, la resistencia de arranque R7 está desconectada del alto voltaje. El balasto electrónico está equipado con un condensador electrolítico C4 tipo ASH-ELB 043. Estos condensadores, especialmente diseñados para su uso en circuitos electrónicos para alimentación de lámparas fluorescentes, se caracterizan por una larga vida útil (15000 horas) a temperaturas de hasta 85 °C y soportar ondas de corriente significativas. Los interruptores de alimentación del inversor son MOSFET del tipo PHX3N50E (el índice E indica una mayor confiabilidad del dispositivo). Al utilizar el principio de conmutación de voltaje cero, se minimizan las pérdidas de conmutación de los MOSFET. El calentamiento de cada uno de los transistores es causado solo por pérdidas en el estado conductor, y el grado de aumento de temperatura depende de la resistencia del canal abierto "fuente de drenaje" RDS encendido y resistencia térmica de la caja Rtn. Las duraciones de las etapas de calentamiento y encendido son bastante cortas, por lo que la elección del tipo de MOSFET estuvo determinada por la magnitud de la corriente que fluía a través del inductor de balasto en el modo de encendido de la lámpara. El PHX3N50E presenta un voltaje máximo de drenaje a fuente de 500 V y una resistencia de menos de 3 ohmios. El diseño de la bobina de balasto L1 con una inductancia de 1 mH, que puede soportar picos de corriente de encendido de hasta 2,5 A, permite su uso en circuitos sin protección a tierra. El encendedor en el balasto electrónico es el condensador C7 con una capacidad de 8200 pF del tipo KR / MMKR376. Este tipo de capacitor está diseñado para usarse en circuitos con altas tasas de respuesta y altas tasas de repetición. El capacitor instalado puede soportar una oscilación de voltaje de hasta 1700 V (600 V RMS de voltaje sinusoidal). El capacitor se puede reemplazar con polipropileno K78-2 para 1600 V. Tipos recomendados de componentes de balasto electrónico se dan en la tabla. 3.6. y en la mesa 3.7 se dan características energéticas de los balastos electrónicos en el chip UBA2021. Tabla 3.6. Tipos recomendados de componentes electrónicos EPR
Tabla 3.7. Características energéticas de los balastos electrónicos
Autor: Koryakin-Chernyak S.L.
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Comentarios sobre el artículo: Oleg ¿Cómo actualizar este circuito para alimentar una lámpara de 100 vatios?
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