диаметром 0,5 мм. При изготовлении трансформатора рекомендуется обмотать магнитопровод тонким слоем мягкого изоляционного материала, проложить между первичной и вторичной обмоткой слой фторопластовой или лакотканевой изоляции, сделать наружную обмотку. При установке трансформатора на печатную плату следует внимательно следить за фазировкой обмоток. Не забывайте также, что классическое предупреждение о необходимости снятия статического электричества при монтаже полевых приборов остается в силе и для транзисторов МОБЕЕТ. То есть, если есть возможность, нужно выполнять монтаж заземленным паяльником и с антистатическим браслетом на руке. Автору, правда, еще не доводилось выводить из строя полевые транзисторы статическим электричеством, когда он работал без всяких мер предосторожности. Однако потенциальная опасность имеется, поэтому по возможности примите меры к ее исключению.

Первое включение нужно проводить при отсутствующих резисторах 118 и И9, проверив двухлучевым осциллографом наличие парафаз-ных управляющих сигналов на выходе микросхем 02 и ПЗ. Только убедившись в том, что управляющие сигналы не «набегают» друг на друга, можно подавать управление на силовые транзисторы. После полной сборки и включения схемы следует установить резистором Ш напряжение на выходе 5 В. Преобразователь готов к работе.

Внимание! Данная схема не имеет защиты от короткого замыкания нагрузки. Читатель может модернизировать ее, введя в первичную цепь резистивный датчик тока и подав сигнал с него на вход 4 микросхемы О1.

Уже несколько десятков лет на работе и в быту людей сопровождают люминесцентные осветительные лампы. Преимущество их перед классическими лампами накаливания очевидны — гораздо более высокий КПД, приближенный к естественному спектральный соетав света и повышенный срок службы. Однако есть у этих ламп и свои недостатки. Во-первых, для зажигания люминесцентных ламп требуется наличие дополнительных элементов — громоздкого дросселя и ненадежного стартера. Во-вторых, — мерцание с частотой питающей сети 50 Гц. В-третьих, арматура ламп требует тщательно продуманного способа крепления управляющих элементов (на мягком подвесе или с резиновыми амортизирующими прокладками), чтобы вибрация частотой 50 Гц не резонировала с корпусом и не раздражала окружающих. В-четвертых, вышедший из строя стартер вызывает фалын-старт лампы (визуально — несколько вспышек перед стабильным зажиганием). Фалын-старт резко снижает срок службы люминесцентной лампы. В-пятых, коэффициент мощности ламп дневного света очень низкий, а это значит, что лампы являются неудачной для электросети нагрузкой. Существуют еще несколько более мелких недостатков, которые мы не упоминаем.

Разработчиками уже давно ведутся работы по устранению вышеперечисленных недостатков люминесцентных ламп, повышению надежности пускорегулирующей аппаратуры, уменьшению ее веса и габаритов. Появление импульсных балластов позволило значительно улучшить эксплуатационные характеристики этих осветительных приборов. Давайте вначале с помощью рис. 15.1 разберемся, как уст-

Холодная люминесцентная лампа имеет высокое сопротивление между своими электродами. Поэтому при включении напряжение сети, проходя через накальные электроды лампы, целиком падает на ключевом элементе стартера. Ключевой элемент представляет собой биметаллическую пластину, замыкающую цепь в нагретом состоянии и в холодном состоянии размыкающую. Поскольку на электродах этого ключа появляется разность электрических потенциалов, газ в колбе стартера ионизируется и разогревает биметаллическую пластинку. В какой-то момент ключ замыкается, и появившийся в цепи электрический ток начинает «накачивать» в дроссель энергию. Более того, этот ток разогревает накальные спирали люминесцентной лампы. Разогретым электродам присущ эффект термоэлектронной эмиссии, широко использующийся в электронных лампах, кинескопах, вакуумных индикаторах. Итак, в наполняющем баллон лампы газе появляются свободные заряды. Одновременно с этим в баллоне стартера пропа-’ дает ионизация, пластинка остывает и ключ размыкается. Энергия, накопленная в индуктивном элементе Ь, переходит в заряд конденсатора С по закону:

роен классический балласт, и тогда нам станет понятно, каким образом осуществляется переход к балласту электронному.

литуду резонансного броска напряжения на конденсаторе. Этот бросок, величина которого превышает напряжение питания, достаточен для полной ионизации газа внутри баллона люминесцентной лампы и ее зажигания. Зажигание характеризуется резким падением сопротивления газового промежутка люминесцентной лампы. После зажигания стартер оказывается отключенным, поскольку его сопротивление много больше сопротивления горящей лампы. Дроссель же, являясь индуктивным сопротивлением, поддерживает рабочее напряжение на электродах лампы. Если по каким-либо причинам лампа не зажигается (например, слишком рано происходит размыкание биметаллика), лампа входит в аварийный режим работы, который сопровождается вспышками фалып-старта.

Графически режимы работы лампы изображены на рис. 15.2.

Поскольку лампа в данном случае питается переменным напряжением низкой частоты, в паузах (при переходе сетевого напряжения через ноль) газ успевает деионизироваться, что иногда заметно на глаз, как характерное мерцание.

Перечисленные недостатки можно устранить с помощью электронного балласта. Конечно, его стоимость, по сравнению с традиционным, получается выше, по, учитывая, что срок службы усовершенствованной лампы продлевается в несколько раз, можно смело утверждать, что фактически стоимость обоих видов балластов примерно одинакова. Общая структурная схема электронного балласта показана на рис. 15.3.

Отметим сразу, что корректор коэффициента мощности в большинстве промышленных схем пока отсутствует, поскольку мощность

люминесцентных ламп не превышает 100 Вт. Однако коррекция должна появляться при использовании одного электронного балласта, работающего на несколько (3-4) однотипных ламп. Иногда в промышленных балластах может отсутствовать и индуктивно-емкостной помехоподавляющий фильтр. Вместо него обычно используется одиночный неполярный конденсатор небольшой емкости. Однако, поскольку требования по помехоподавлению все более ужесточаются, разработчикам в скором времени придется вводить в схемы балластов обязательные индуктивно-емкостные помехоподавляющие фильтры. Даже в домашних условиях плохо подавленные паразитные излучения балластов могут «забивать» радиоприемники и беспроводные телефоны, не говоря уже о производственных помещениях, в которых работает высокоточная измерительная аппаратура.

Итак, в схеме электронного балласта (рис. 15.4) точка «А» подключается с помощью ключей Кл 1 и Кл2 то к напряжению питания (И_п = 310 В), то к общему проводу. В результате в точке «А» возникают однополярные высокочастотные импульсы напряжения (частота коммутации обычно находится в пределах 20—120 кГц), которые, во-первых, зажигают лампу, а во-вторых, не дают газу деионизироваться (отсутствие мерцания). При таком методе пуска и управления полностью исключен фалып-старт, поскольку лампа гарантированно коммутируется на постоянное напряжение, провалы которого принципиально отсутствуют. Регулировкой скважности импульсов коммутации можно добиться изменения яркости свечения. Сокращаются размеры индуктивного элемента. Как вариант реализации электронного балласта иногда используется полумостовая схема, изображенная на рис. 15.5. Впрочем, первый вариант сегодня встречается все чаще.

Чтобы зажечь лампу, нужно разогреть ее электроды. Поскольку в схеме электронного балласта отсутствует стартер, необходимо каким-то образом первоначально замкнуть силовую цепь, чтобы протекающий ток разогрел электроды, а затем схему пуска отключить. В лампах небольшой мощности (единицы Вт) первоначальное замыкание цепи можно осуществить при помощи конденсатора С, как показано на рис. 15.6. Однако этот путь достаточно противоречив, поскольку для разогрева желательно иметь как можно большее значение емкости, в то время как для возникновения хорошего резонансного эффекта выбирать эту емкость слишком большой нельзя.

Разработчики поступили следующим оригинальным образом. Они включили параллельно конденсатору термистор с положительным температурным коэффициентом. В холодном состоянии сопротивление термистора мало, и ток разогревает электроды лампы. Вместе с электродами разогревается и термистор. При определенной температуре сопротивление термистора резко повышается, цепь разрывается и индуктивный выброс зажигает лампу. Термистор шунтируется низким сопротивлением горящей лампы.

Самые первые электронные балласты работали в автогенератор-ном режиме и собирались из дискретных элементов. Однако это оказалось крайне неудобным: очень уж большими получались габариты печатных плат. Поэтому ведущие фирмы-разработчики выпустили микросхемы управления балластами. Первое поколение микросхем требовало наличие внешних силовых транзисторов, в современных модификациях силовые ключи интегрированы в один корпус со схемой управления. Такие балласты настолько миниатюрны, что могут поместиться в цоколь лампы, вворачиваемой в резьбовой патрон. Лампы со встроенным балластом уже выпускаются серийно, их можно приобрести в отечественных магазинах, но цена таких осветительных приборов по сравнению с лампами накаливания высока. Скорее всего, цена будет падать с течением времени, когда рынок новых люминесцентных ламп насытится. Но не следует ожидать, что цена таких ламп сравняется с ценой обычных ламп накаливания. Выигрыш здесь может быть, как мы знаем, только за счет увеличенного срока службы и пониженного потребления электроэнергии.

Совсем недавно появилось второе поколение микросхем управления электронными балластами, обладающее многими сервисными и защитными функциями. К сожалению, отечественные разработки микросхем управления электронными балластами находятся в зачаточном состоянии, поэтому автор вынужден рассказывать лишь о том, как преуспели на этом рынке зарубежные фирмы-производители силовой электроники. Фирма International Rectifier производит микросхемы IR215(x)i требующие внешних силовых транзисторов, и микросхемы IR51H(xx) с интегрированными силовыми ключами. Фирма SGS-Thomson производит микросхемы L6569, L6571, L6574. Фирма Motorola — МС2151, MC33157DW. Фирма Unitrode (Texas Instrunents) — UC3871, UC3872. Микросхемы имеют бутстрепную цепь управления затвором верхнего ключевого транзистора, защиту от сквозных токов (защитная пауза 1,2 мке), узлы стабилизации внутреннего питания и защиту от пониженного напряжения сети. Кроме того, новое поколение микросхем IR2157 и IR2159 реализуют:

• возможность установки времени прогрева накальных электродов;

• возможность установки скорости зажигания лампы за счет введения плавающей задающей частоты;

• возможность установки задержки включения силовых ключей;

• дополнительную защиту от незажигания лампы и включение защитного режима в момент ее отказа;

• защиту при перегорании накальных электродов и контроль наличия вставленной лампы;

• защиту от зажигания на частоте ниже резонансной;

• автоматический перезапуск при кратковременном пропадании сетевого напряжения;

Рассмотрим простую схему электронного балласта, основанную на микросхеме Ж2151, приведенную на рис. 15.7. Также воспользуемся некоторыми теоретическими сведениями, почерпнутыми в [36] [52].

Схема построена по полумостовому принципу. Данный балласт рассчитан на питание лампы мощностью 40 Вт от сети переменного тока 220 В 50 Гц.

Напряжение сети выпрямляется диодным мостом \Д)1-У04 и сглаживается конденсаторами полумоста С6 и С7. Внутренний гене-

Элементы R6-C5 — цепь снаббера, предотвращающего защелкивание выходных каскадов микросхемы (выводы 5 и 7). Нам необходимо разобрать эффект защелкивания подробнее, чтобы обезопасить себя от неприятных ситуаций, тем более что мы будем постоянно сталкиваться с ним в схемах, управляемых от драйверов.

Итак, рассмотрим внутреннее устройство выходных каскадов микросхем управления.

При проектировании схем управления обычно считается, что вы-

ходной каскад управляющих драйверов, представленный на рис. 15.8, состоит из двух комплементарных полевых транзисторов VT1 и VT2, который усиливает ток управления затвором и имеет очень низкое выходное сопротивление. В действительности, благодаря специфике технологии изготовления выходных комплементарных каскадов, кроме управляющих полевых транзисторов MPI и MN1 имеются паразитные биполярные транзисторы QP1, QP2, QN1, QN2, образующие тиристорную PNPN-структуру (рис. 15.9).

Теперь нам необходимо вспомнить, что в полевых транзисторах не последнюю роль играет эффект Миллера. Мы уже выяснили, если транзистор коммутируется слишком быстро, а сопротивление цепи управления велико, напряжение на затворе может «подскакивать» значительно. Затвор, присоединенный к выходу драйвера, прикладывает это напряжение к РЫРЫ-структуре. Если приложенное напряжение окажется выше напряжения питания управляющего каскада всего-навсего на 0,3 В (величина напряжения «база-эмиттер» биполярного транзистора в открытом состоянии), наступает опрокидывание тиристорной структуры, вывод питания закорачивается на общий провод. Защелка не может восстановиться автоматически, пока не бу-

Второй причиной, которая может привести к защелкиванию драйвера, обычно является плохая разводка печатных проводников. Рассмотрим пример неудачной и удачной разводки. На рисунке 15.11 показано нижнее плечо полумоста электронного балласта. Общий провод микросхемы управления подключен не непосредственно к истоку силового транзистора, а таким образом, что ток управления и силовой ток протекают по одному проводнику. Любой проводник, как мы знаем, обладает паразитной индуктивностью. В данном случае обозначим ее через Ь_пар. При достаточно быстром изменении падения напряжения на транзисторе ^^си/^ велико) скачок напряжения в паразитной индуктивности может «завернуть» точку «а» выше напряжения питания микросхемы управления (типичное значение напряжения питания — 15 В). Это может привести к защелкиванию.

К счастью, паразитные транзисторы обладают низкими частотными свойствами, поэтому если энергия импульса мала (величина импульса может быть большой, но в то же время должна быть малой его длительность), защелкивание может и не произойти. Опытным путем установлено, что при длительности импульса менее 1 мкс вероятность защелкивания весьма мала.

Обезопасить свою разработку от защелкивания, вызванного плохим монтажом, возможно. Для этого необходимо разработать печатную плату по следующему правилу: вывод «земля» микросхемы управления должен быть непосредственно присоединен к истоку мощного ключевого транзистора, а затем эта точка присоединяется к . отрицательной клемме сетевого конденсатора сглаживающего фильтра, как показано на рис. 15.12.

Причина номер два, приводящая к защелкиванию, — это неблагоприятное влияние емкости Миллера С_зс. При достаточно быстром изменении напряжения между электродами силового транзистора УТ (при его открытии или закрытии) ток ц_с «затекает» в драйвер через управляющий вывод и может открыть транзистор защелки. Величина этого тока определяется скоростью переключения транзистора — чем она больше, тем больше и ток. Максимальное значение «затекающего» тока, при котором драйвер устойчиво работает, для разных микросхем управления может быть разным. Для микросхем серии 111215(х) этот ток не превышает 0,5 А.

Повысить устойчивость микросхемы управления к защелкиванию от наведенного тока можно двумя способами. Оба они связаны с ограничением скорости переключения транзистора. Первый способ заключается в применении так называемого снаббера, показанного на рис. 15.13. Мы уже мельком встречались с этим «зверем» при проектировании фли-бак конвертора. Теперь нам придется столкнуться с ним «лицом к лицу». Эквивалентное время включения и выключения в случае применения снаббера будет:

Время включения/выключения, однако, должно быть хотя бы на порядок меньше времени паузы между управляющими импульсами транзисторов верхнего и нижнего плеча (dead time), чтобы не возникали сквозные токи.

Второй способ защиты заключается в установке между управляющим выходом драйвера и затвором ключевого транзистора небольшого сопротивления, ограничивающего наведенный ток, как показано на рис. 15.14. В этом случае наведенный ток будет замыкаться через емкости Сзс и Сзи, не «затекая» в микросхему управления. Величина резистора R3 не должна быть слишком большой, чтобы делитель напряжения, образованный емкостями Сзи и Сзс, не способствовал самопроизвольному открытию силового транзистора.

Рекомендации по выбору величины этого резистора очень скудны и ограничиваются качественными оценками. Расчетные же соотношения, которые как раз интересны инженеру-разработчику, остаются за рамками рекомендаций. Поэтому автору пришлось провести серию экспериментов и разработать простую теорию, с помощью которой осуществляется выбор затворных резисторов.

В документации на микросхемы управления всегда указывается максимальный ток, который может «выдать» на управляющий электрод данный тип микросхемы. Если при выборе резистора микросхему использовать по току не более чем на 70—80% от максимального значения тока, то в большинстве случаев защелкивание исключается (естественно, монтаж также надо разрабатывать по перечисленным правилам). Такой подход вполне подойдет и для радиолюбителей-конст-рукторов, и для профессиональных разработчиков. Не рекомендуется также эксплуатировать однотактный драйвер в режиме коэффициента заполнения более 0,95.

И все же профессиональному разработчику необходимо быть абсолютно уверенным в том, что, включив ограничительный затворный резистор, он не получит другую неприятность в виде самопроизвольного открытия силовых транзисторов. Автору пришлось столкнуться с этим явлением «вживую», поэтому он настоятельно рекомендует воспользоваться результатами своей работы.

Обратим внимание на схему 15.15. Читателю уже известно, что емкости Сзи и Сзс не являются постоянными величинами, а зависят от многих факторов. Тем не менее, для нашего оценочного расчета мы положим их постоянными и равными С_І55 и С_Г88. Величина этих емкостей приводится в технических условиях на данный транзистор.

Вначале рассуждаем логически. Самопроизвольное открытие может произойти тогда, когда резистор ^ настолько велик, что он не успевает разряжать емкость С_зи при резком изменении напряжения «сток-исток». Запишем передаточную функцию делителя напряжения затвора с учетом влияния затворного резистора. Автор сознательно не приводит вывод этой формулы, так как он получился довольно громоздким. Нам важен, как уже неоднократно говорилось, результат, который позволит понять физику процесса. Итак,

В качестве параметра т нужно принять время включения/выключения транзистора.

При т₀ « t_eta U,_u гарантированно обращается в нуль. Знак «много меньше» означает, что числа должны отличаться на порядок. Поскольку для стандартной RC-цепи установившимся считается процесс, после начала которого прошло по крайней мере Зт₀, условие отсутствия самопроизвольного открытия запишется следующим образом:

Если это условие не выполняется, необходимо Применять снаббер.

Возвращаемся к конструированию электронного балласта (рис. 15.7). Нам понадобятся параметры силового транзистора IRF720:

• максимальное напряжение «сток-исток» (Vos) — 400 В;

• максимальная рассеиваемая мощность (P_D) — 50 Вт;

• тепловое сопротивление «кристалл-корпус» (Rjc) — 2,5 °С/Вт;

• тепловое сопротивление «корпус-радиатор» (Rc_S) — 0,5 °С/Вт;

• тепловое сопротивление «кристалл-среда» (R_ja) — 62 °С/Вт;

• сопротивление в открытом состоянии (R™_s ) — 1,8 Ом;

Конечно, условие отсутствия защелкивания практически выполняется, но мы находимся уже на грани опасного режима. Поэтому, вводя снаббер, мы просто удваиваем время коммутации и тем самым гарантированно обезопасим себя от неприятностей.

Дроссель электронного балласта выполнен на Ш-образном магни-топроводе из феррита 2500НМС1 Ш5х5 с зазором 0,2 мм (необходимо подложить прокладки толщиной 0,1 мм под рабочие поверхности половинок магнитопровода). Обмотка — 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,2 мм. Балласт собран на печатной плате из фольгированно-го стеклотекстолита и помещен в алюминиевый экранирующий кожух. Печатная плата изображена на рис. 15.20, а сборочный чертеж — нарис. 15.21.

. Примером электронного балласта с активной коррекцией коэффициента мощности для лампы мощностью 40 Вт может служить схема, приведенная на рис. 15.16.

Рассмотрим режимы работы и защитные функции микросхемы балластов нового поколения 1112157. Типовая схема ее включения изображена на рис. 15.17. Рабочая частота генератора задается элементами И_от С_т. При включении питающего напряжения микросхема начинает отработку режима запуска. Питающее напряжение подается на вывод Усс через токоограничительный резистор К_хиРРЬУ- Порог срабатывания по этому выводу — 11,4 В. Пока напряжение на этом выводе не превысит порог, работа задающего генератора будет блокирована. При превышении порога осуществляется запуск задающего генератора, осуществляющего коммутацию силовых ключей. Частота генератора в режиме пуска определятся сопротивлением резисторов Крн> ^такт’ ^кт> К-от’ ^а также емкостью конденсаторов С_5ТАах, С_т. Частота генератора задается таким образом, чтобы поджиг лампы не происходил, пока не прогреются ее электроды. Стартовая частота — высокая, и она уменьшается по мере заряда конденсатора С_5ТАКТ до частоты подогрева. Как только потенциал на этом конденсаторе достигает 2 В, включается режим подогрева электродов.

В режиме подогрева частота задающего генератора определяется номиналами резисторов 11_рн (резистор установки режима подогрева), К_г, И_от, а также емкостью конденсатора С_т. Частота подогрева должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить оптимальное соотношение сопротивлений холодной и разогретой нитей накала (типично 4,5:1). Время подогрева задается величиной конденсатора С_РН, который заряжается стабильным током 1 мкА до напряжения 4 В.

В момент окончания режима подогрева встроенный ключевой транзистор, подключенный к выводу 11_РН, выключается и напряжение на этом входе нарастает от нуля до напряжения на входе 11_т. Микросхема переходит в режим управляемого поджига. Во время режима поджига частота управляющего генератора постепенно падает до ми-

нимально допустимой величины. Скорость падения частоты задается постоянной времени цепи С_[Ш11р_Н. Однако напряжение на конденсаторе С_РН продолжает нарастать, и при 5,15 В микросхема переходит в рабочий режим. Частота генератора в этом режиме определяется сопротивлением резисторов Б_РН и К_кик, емкостью конденсатора С_т.

При понижении напряжения питания происходит выключение задающего генератора. При повышении напряжения питания происходит повторный запуск в соответствии с рассмотренной выше схемой.

Очень часто при ремонте осветительного оборудования в больших помещениях некоторые плафоны остаются с отсутствующими лампами. Для контроля наличия лампы предусматривается вход БО, подключаемый к делителю 114-115. При превышении напряжения на этом входе 2 В задающий генератор отключается.

Для контроля тока, протекающего через транзисторы полумоста, введен датчик тока Лее, сигнал с которого через резистор 173 поступает на вход контроля СБ. Необходимость в этой функции возникает при отсутствии поджига, перегрузке по току, отсутствии нагрузки и работе ниже частоты резонанса. В любом случае задающий генератор микросхемы отключается.

Наконец, последний пример электронного балласта — это гибридная микросхема 11751Н420, в которую встроены силовые транзисторы. На ее базе можно строить сверхминиатюрные балласты. Пример такого балласта приведен на рис. 15.18. Диоды УТ)6, УТ)7 включены встречно-параллельно для получения нулевого тока при возникновении последовательного резонанса. Данная мера предпринята для синхронизации задающего генератора и резонансной цепи с целью полу-

Рис. 15.19. Внешний вид миниатюрного электронного балласта

Рис. 15.20. Печатная платы экспериментального балласта иа базе Ж2151

Используются технологии uCoz

Материал взят из книги

Скачать оригинал КНИГИ в хорошем качестве