Высокочастотные электронные балласты для люминесцентных ламп

Костантин Островский - профессиональный разработчик электронного оборудования. Свои навыки он применяет и для аквариумных целей, он автор нескольких оригинальных электронных аквариумных самоделок. В следующих номерах нашей газеты вы с ними познакомитесь.

В качестве источников света для аквариумов и террариумов широко применяются различные типы люминесцентных ламп (ЛЛ). Это объясняется рядом достоинств ЛЛ, например, высокой световой отдачей и большим сроком службы, низкой температурой поверхности лампы, широкой номенклатурой выпускаемых ЛЛ по спектральному составу излучения и мощности. В то же время, широко распространенные пускорегулирующие аппараты (ПРА) для ЛЛ не всегда удобно использовать в домашних условиях. Стандартная схема включения ЛЛ с дроссельным ПРА и стартером не обеспечивает мгновенного пуска ЛЛ, сам ПРА имеет значительную массу и температуру, лампа мерцает с удвоенной частотой сети, генерируются акустические шумы. Для решения этих проблем необходимо применять ПРА, осуществляющие питание ЛЛ током повышенной частоты. При этом можно добиться повышения световой отдачи ламп, повышения КПД балласта в целом, уменьшения габаритов и массы ПРА и т.д.

Основными вариантами схемотехнических решений для высокочастотных балластов являются полумостовая или мостовая схема с последовательным резонансным контуром и двухтактная схема с насыщающимся повышающим трансформатором напряжения с отводом от средней точки первичной обмотки (рис. 1). Последняя схема применяется при небольших напряжениях питания и мощностях ЛЛ, например, при питании от автомобильной бортовой сети. Она тоже не обеспечивает номинального режима лампы, по отношению пикового значения тока к действующему. Поэтому, эта схема в качестве варианта балласта с питанием от сети 220 Вольт 50 Герц рассматриваться не будет. Мостовая схема также не получила широкого распространения, так как содержит вдвое большее число силовых транзисторов. Применение ее оправданно только при больших мощностях (сотни Ватт) или использовании ЛЛ с большим рабочим напряжением, например, импортных ЛЛ мощностью 80 Вт и более или ламп типа ДРЛ. На рис. 2 изображена типичная полумостовая схема на биполярных транзисторах. Это автогенератор, использующий в качестве переключающего элемента насыщающийся трансформатор тока Т1. Цепь R1C1D4R4 используется для запуска генерации.

Трансформатор тока изготавливается таким образом, чтобы частота генерации инвертора была близка к резонансной частоте контура LpCp, добротность которого в основном определяется сопротивлением нитей накала лампы. После включения питания и запуска генерации ток через контур в несколько раз превышает номинальный рабочий ток схемы, а напряжение на конденсаторе Ср равно половине напряжения питания схемы, умноженному на добротность контура.

Таким образом, одновременно осуществляется прогрев электродов резонансным током контура и подача на лампу высоковольтных импульсов напряжения, что в сумме обеспечивает фактически мгновенное зажигание ЛЛ. После зажигания лампы, конденсатор Ср шунтируется ее низким сопротивлением, добротность контура резко падает, и ток лампы ограничивается дросселем Lp. Данная схема отличается доступностью и дешевизной компонентов, может быть реализована целиком на отечественной элементной базе. Факторами, ограничивающими ее применение, являются наличие трудоемкого в изготовлении трансформатора тока, значительные потери мощности из-за неоптимальной формы базового тока транзисторов, невозможность управления частотой работы инвертора для предотвращения выхода его из строя при длительной работе в резонансном режиме, трудность получения номинального тока (а значит и яркости) ламп в заданных пределах из-за технологического разброса параметров материала сердечника трансформатора тока, зависимость частоты генерации от нагрузки (балласт, рассчитанный на две лампы не будет обеспечивать корректный режим с одной) и т.д. Тем не менее, схема получила широкое распространение для работы с ЛЛ мощностью до 20 Вт. Для решения этих технических проблем, следует применять инвертор с возможностью управления частотой, который бы обеспечивал оптимальный режим переключения транзисторов для получения максимального КПД. Всем этим требованиям удовлетворяет схема на полевых транзисторах и система управления на базе микросхемы драйвера полумоста IR2151 и дискретных компонентов, с помощью которых реализован сдвиг частоты инвертора. Упрощенно этот вариант изображен на рис.3.

Для проверки вышесказанного был разработан и изготовлен опытный образец балласта, рассчитанный на работу с двумя ЛЛ мощностью 40 Вт каждая. Особенность схемы состоит в том, что старт производится на резонансной частоте контуров - около 65 кГц, а рабочая частота устанавливается через некоторое время, достаточное для зажигания ламп. В случае если одна из ламп не загорится по какой-либо причине, сдвиг частоты спасет инвертор от длительной работы в резонансном режиме. Данный балласт корректно работает как с двумя, так и с одной лампой, так как частота опорного генератора схемы управления от нагрузки не зависит. При испытаниях, балласт сохранял работоспособность в пластмассовом корпусе без вентиляционных отверстий размерами 100х90х45 мм при работе с двумя лампами. Визуально была отмечена возросшая яркость ламп по сравнению со стандартным ПРА. Следует отметить, что пользуясь данной схемотехникой, можно строить балласты на несколько ламп, например, на четыре. Также интересное направление - улучшение параметров балласта как нагрузки электрической сети с помощью корректоров коэффициента мощности. Из недостатков данного варианта, была отмечена нестабильная работа и даже выход из строя, в результате перехода питающей сети из режима источника напряжения в режим источника тока. Поэтому при практическом применении следует внимательно следить за состоянием проводки и электрокоммутационных изделий, не допускать в них участков со значительным сопротивлением. Принципиально решить эту проблему можно применив в качестве источника питания балласта не простой выпрямитель, а корректор коэффициента мощности.

Добавить комментарий