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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Balasto electrónico universal de arranque en caliente para lámparas fluorescentes T8. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / iluminación El autor propone el diseño de un balasto electrónico para lámparas fluorescentes T8, ensamblado sobre un microcircuito especializado ICB1FL02G. El dispositivo está equipado con un corrector de potencia activa, brinda protección contra modos de emergencia y tiene siete opciones diferentes para conectar lámparas de diferente potencia. Balasto electrónico: un balasto electrónico, a menudo llamado balasto electrónico, se utiliza para encender y mantener el modo de funcionamiento de las lámparas de descarga de gas (en este caso, lámparas fluorescentes). Las ventajas de un balasto electrónico sobre un estrangulador y un arrancador convencionales son evidentes, como la ausencia de parpadeo de la lámpara en el arranque, un mayor factor de potencia, un factor de ondulación del flujo luminoso significativamente menor, así como un menor coste, etc. Hoy en día, casi todas las lámparas fluorescentes, ya sea en la oficina o en el hogar, están equipadas con un balasto electrónico. En términos de circuitos, los balastos electrónicos producidos en masa se pueden dividir en dos categorías. El primero es un convertidor de medio puente con arranque automático en dos potentes transistores de alto voltaje de la serie 13007 con un corrector de potencia pasivo. Los balastos de este tipo son los más económicos y comunes, y funcionan a una frecuencia de 36...38 kHz. El segundo, los balastos electrónicos más caros, ensamblados en microcircuitos especializados, tienen un corrector de potencia activo y una función de arranque "en caliente". Por lo general, tienen una frecuencia de oscilación de 36...48 kHz y se distinguen por un coeficiente de pulsación de flujo de luz muy bajo: 2...5%. A modo de comparación: para una lámpara encendida con un estrangulador y un arrancador convencionales, las pulsaciones de flujo luminoso son aproximadamente 40 ... 60%, con un balasto electrónico barato, alrededor del 15%. La versión del balasto electrónico en un microcircuito especializado se discutirá en este artículo. Principales características técnicas
El balasto se ensambla en un controlador de microcircuito especializado de balasto electrónico para lámparas fluorescentes - ICB1FL02G, desarrollado por Infineon. Los balastos en este chip son similares en circuitos a los balastos en los chips International Rectifier, por ejemplo, IR2168, IR2166, pero requieren menos elementos externos y, como ha demostrado la práctica, son más estables y confiables (esta es la opinión subjetiva del autor). El esquema del dispositivo se muestra en la fig. 1. Su principal característica distintiva son las siete configuraciones (opciones) para conectar lámparas: 1x18 (una lámpara fluorescente T8 con una potencia de 18 W), 1x36, 1x58, 2x18, 2x36, 3x18, 4x18 (Fig. 2). En [1] se da una descripción detallada del funcionamiento del microcircuito. El funcionamiento del balasto se puede dividir en tres etapas: precalentamiento de los cátodos de la lámpara, encendido y modo de funcionamiento. El precalentamiento se implementa de la siguiente manera. Inmediatamente después del encendido, el generador de reloj del microcircuito comienza a funcionar a una frecuencia de aproximadamente 125 kHz. Después de 10 ms, su frecuencia disminuye suavemente a 65 kHz: esta es la frecuencia de precalentamiento, que establece la resistencia R22. Este valor es mucho mayor que la frecuencia de resonancia del circuito de balasto de salida L2C14, por lo que el voltaje aplicado a los cátodos de las lámparas no será suficiente para encenderlas. Comienza el precalentamiento de las lámparas, cuya duración la establece la resistencia R26 y se selecciona en el rango de 0 a 2 s (en nuestro caso, 1 s). Durante este tiempo, la frecuencia permanece sin cambios. Durante el período de precalentamiento, los cátodos de las lámparas se calentarán lo suficiente por la corriente de alta frecuencia y el gas de las lámparas comenzará a ionizarse parcialmente. Como resultado, el encendido posterior tendrá lugar en un modo menos "estresante" para los filamentos de las lámparas y con sobretensiones de corriente más bajas a través de los transistores VT2, VT3. La función de precalentamiento aumenta significativamente, a veces varias veces, la vida útil de la lámpara fluorescente.
Después de un tiempo de precalentamiento de los próximos 40 ms, la frecuencia de reloj del microcircuito comenzará a disminuir nuevamente. A medida que se acerca a la frecuencia de resonancia del circuito L2C14, el voltaje aplicado desde las placas del capacitor C14 a los cátodos de las lámparas comenzará a aumentar bruscamente y, al llegar a 600 ... 800 V, se producirá la ignición. Si en este momento el voltaje en el sensor de corriente - resistencia R27 alcanza el umbral de 0,8 V, y esto puede suceder, por ejemplo, cuando intenta encender el balasto sin carga o si falla una de las lámparas, el controlador de microcircuito lo hará deje de reducir aún más la frecuencia del convertidor y comience a aumentarla nuevamente, lo que, a su vez, provocará una disminución en el voltaje a través del capacitor C14. Esto se hace para evitar una corriente excesiva y picos de voltaje en la salida del convertidor. Cuando la caída de tensión desciende por debajo de 0,8 V en la resistencia R27, la frecuencia vuelve a disminuir. Este proceso puede repetirse varias veces hasta que se reciba una señal de encendido exitosa. Esta señal es la aparición de una corriente sinusoidal con una amplitud de no más de 2,5 mA en la entrada LVS1 (LVS - Lamp Voltage Sense, pin 13) DA1 y una tensión trapezoidal con una oscilación de no más de 3,2 V en la entrada RES (REINICIAR, pin 12) DA1 . El tiempo máximo de encendido puede ser de hasta 235ms. En caso de encendido fallido de las lámparas, el microcircuito entrará en modo de emergencia y dejará de cambiar los transistores VT2 y VT3. Luego de un encendido exitoso, DA1 cambiará al modo de operación, la frecuencia del generador de reloj disminuirá al valor de operación, que es establecido por la resistencia R18. Las tres etapas de funcionamiento del balasto: calentamiento, encendido y modo de funcionamiento se ilustran en el oscilograma de la Fig. 3 (el osciloscopio se conecta a los pines 3, 9 del conector XS1). En la fig. La figura 4 muestra un oscilograma de la tensión en estado estacionario operativo con cuatro lámparas conectadas con una potencia de 18 W cada una.
En el modo de funcionamiento, se activan funciones de protección adicionales: EOL (End Of Life): fin de la vida útil de la lámpara, protección contra el funcionamiento en modo capacitivo, protección contra el efecto rectificador de las lámparas. En caso de un fuerte aumento de corriente a través de la lámpara, que puede ocurrir al final de su vida útil, la corriente en el circuito aumentará a 215 μA: más fuente de alimentación, R14, R16, R21, R23, R30, lámpara filamento, R17, R15, R13, R12, chip sensor de corriente interna DA1. Esto activará la protección EOL y el balasto se apagará. Si los semiciclos positivo y negativo de la corriente que fluye a través de este circuito no tienen la misma amplitud, esto significa que la lámpara está funcionando en modo rectificador. En otras palabras, hay más corriente a través de la lámpara en una dirección que en la otra. Este efecto es causado por el desgaste prematuro de uno de los cátodos de la lámpara. En este caso, el balasto también entra en modo de emergencia. Si durante el funcionamiento del balasto se rompe el contacto en el circuito de la lámpara, por ejemplo, debido a un portalámparas defectuoso o al quemado de uno de los filamentos, la resistencia del circuito aumentará considerablemente y la etapa de salida cambiará a capacitiva. operación, que, a su vez, puede causar resonancia. En este caso, el voltaje en la entrada RES excederá el nivel de 1,6 V, lo que hará que la protección se dispare y apague el balasto. Además, las entradas LVS1 y RES del chip DA1 sirven para controlar la conexión de las lámparas durante todo el tiempo que esté funcionando el balasto. Si se quita una de las lámparas mientras el balasto está funcionando, el balasto se apagará. El corrector de potencia activa está montado sobre un transformador T1, un transistor VT1, un diodo VD2 y un condensador C5. Su propósito es acercar la forma de la corriente consumida lo más posible a la forma del voltaje, para reducir el cambio de fase entre la corriente y el voltaje, minimizando así la potencia reactiva. El principio de su funcionamiento se describe en detalle en [1] y [2]. Una característica de este corrector es la capacidad de trabajar tanto en Modo de Conducción Crítica (CCM) como en Modo de Conducción Discontinua (DCM). El divisor R8-R11C6 se utiliza para controlar el valor instantáneo de la tensión de alimentación y determinar el tiempo de cierre del transistor VT1. El devanado secundario del transformador T1, conectado a través de una resistencia limitadora de corriente R3 a la entrada PFCZCD (pin 7) DA1, es necesario para determinar el momento en que la corriente a través del devanado primario del transformador llega a cero. Tan pronto como esto suceda, se aplicará un pulso de apertura a la puerta del transistor VT1. Ambos devanados del transformador T1 deben estar en fase. El microcircuito se alimenta en el primer momento después de encenderse desde el circuito R1, R2, R5. En el futuro, desde la etapa de salida hasta el estabilizador C12C13R28VD5VD6C10. Para conectar cuatro lámparas al balasto, el fabricante del microcircuito recomienda utilizar dos circuitos de balasto de salida conectados en paralelo, en cada circuito hay dos lámparas conectadas en serie [1]. Pero entonces surge el siguiente problema. Incluso con una ligera dispersión en los parámetros del circuito LC de salida, los pares de lámparas pueden encenderse de forma no simultánea, lo que no es muy agradable para la percepción. Por otro lado, cuatro lámparas conectadas en serie son bastante problemáticas para encender, ya que no tienen tiempo de calentarse lo suficiente durante el precalentamiento, y se requiere mucha más energía para encender. Además, no debemos olvidarnos de las pérdidas en los cables de conexión. La solución fue dejar un circuito de salida, pero agregar un transformador reductor auxiliar de baja potencia T2. Compensa las pérdidas en el empalme de las lámparas, mejora el calentamiento de las lámparas y facilita su encendido. Se ha establecido experimentalmente que la potencia del transformador T2 debe ser del 8....10% de la potencia total de las lámparas, la relación de transformación es 20.30. Al conectar lámparas 1x18, 2x18, 1x36 al balasto, se debe quitar el transformador T2 y los capacitores de acoplamiento C11, C16 y C18 para evitar suministrar energía en exceso a las lámparas. La documentación [1] proporciona el cálculo de todos los elementos principales del balasto, a excepción del circuito de salida L2C14. La inductancia del inductor L2 y la capacitancia del capacitor C14 se calculan de la siguiente manera. Potencia máxima de la lámpara (4x18 o 2x36) P=72 W, frecuencia de funcionamiento seleccionada f=41 kHz, frecuencia de encendido fIGN=48 kHz [1], usando un arranque "caliente", el voltaje de encendido óptimo UIGN≈700 V. De la relación de energía obtenemos E = P/f = C U2/ 2, por lo tanto C14 = 2P/(fIGN·UIGN2) = 2 72/(48 103· 7002) ≈ 6,1 nF. De los condensadores disponibles, se eligió un condensador de 6,8 nF. Ahora determinamos la inductancia del inductor L2. la frecuencia es f = 1/(2π√LC), por lo tanto L2 = 1/(4π2Cf2) = 1/(4π2· 6,8 · 412· 106) = 2,2 mH. Por otro lado, la inductancia de la bobina de balasto debe cumplir con la condición L2 = (Uhoyo - Uл) tabierto/Iл , donde tuhoyo - tensión de alimentación; tuл - tensión de funcionamiento de las lámparas (la tensión de funcionamiento de una lámpara de 18 W es aproximadamente igual a unos 56 V, por lo tanto, Uл=4 56=224 V); tabierto - tiempo de apertura del transistor a f=41 kHz, tabierto ≈11,5 µs (según [1]); Iл≈0,33 A - corriente de funcionamiento de la lámpara. De aquí L2 = (290 - 224) 11/330 = 2,2 mH. Determinamos la corriente máxima del inductor L2, será igual a la corriente del condensador C14 en el momento de la resonancia. IL2 = turez2πfrezC = 700 2π 48 103· 6,8 · 10-9 = 1,4 A. Elegimos un núcleo magnético adecuado para la potencia general, por ejemplo, EV25/13/13. Estimemos el juego requerido g: gramo = (4 10-4π L yomax2)/(SB2), donde S es el área de la sección transversal del circuito magnético, m (para EV25/13/13 S=75 mm2); B - inducción máxima, T; L - inductancia, H; Imax - corriente máxima, A. Tomemos la inducción B = 0,22 T. Obtener gramo = (4 10-4π 2,2 10-3· 1,42)/(75 10-6· 0,222) = 1,5 mm. Calcule el número de vueltas N del inductor L2: L=N2·UNAL, por lo tanto norte = √(LAL) ; AL = (UnL0λ)/(μegramo) donde unL - inductancia por vuelta (circuito magnético con un espacio), H; AL0 - inductancia por vuelta (circuito magnético sin espacio, información del libro de referencia), H; λ es la longitud de la línea de potencia promedio del circuito magnético, mm; me - permeabilidad magnética inicial del material del circuito magnético (información del libro de referencia). Para núcleo magnético EV25/13/13, material N87 - AL0=2400 nH, λ=59 mm, μe= 1520. Por lo tanto AL = (2400 10-9· 59 · 10-3)/(152 1,5 10-3) = 6,7 10-8 gn, norte = √(2,2 10-3/6,7 10-8) = 181 vueltas. Comprobemos la inducción máxima. B = (yomax·μ0N)/g, donde μ0 = 4π 10-7 H/m ; B = (1,4 4π 10-7181)/(1,5 10-3) = 0,212 T El inductor está enrollado con alambre de 4x0,2 mm (cuatro alambres con un diámetro de 0,2 mm). Si es posible, es deseable dividir el devanado en secciones. El dispositivo está montado sobre una placa de circuito impreso de fibra de vidrio laminada por un lado. El dibujo de la placa de circuito impreso se muestra en la fig. 5. Todos los elementos para montaje en superficie están ubicados en el lado de los conductores impresos, todos los elementos de salida están en el lado opuesto. La ubicación de los elementos se muestra en la fig. 6. Las fotos del dispositivo ensamblado se muestran en la fig. 7 y la figura. 8. Condensador C14 - película metálica, para un voltaje de 1600 V, condensadores C11-C13 - película metálica o cerámica de disco para un voltaje de 1000 V, condensadores C16, C18 - 100 V. Diodos VD2, VD4 - de alta velocidad con un voltaje inverso permitido de al menos 600 V. Los transistores FQD5N50 (VT1-VT3) se pueden reemplazar con SPP03N60C3 o similar. El transformador T1 está enrollado en un núcleo magnético E25/13/7, material N27, espacio no magnético de 1,6 mm. El devanado primario contiene 184 vueltas de cable de 4x0,2 mm, el secundario: 14 vueltas de cable con un diámetro de 0,3 mm. El transformador T2 está enrollado en un circuito magnético E16/8/5, material N27, sin espacio. El devanado 1-2 contiene 208 vueltas, los devanados 11 - 14, 6 - 7, 10 -13 - 24 vueltas cada uno, los devanados 4 - 5, 8 - 9 - 12 vueltas cada uno. El diámetro del alambre de todos los devanados es de 0,18 mm. Resistencias de ajuste de frecuencia R18, R22, R26, es deseable elegir con una tolerancia de 0,5-1%. Un dispositivo ensamblado correctamente generalmente comienza a funcionar de inmediato y no requiere ajuste.
Literatura
Autor: V. Lázarev
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