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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA
Reattori elettronici. Alimentatore elettronico sul chip UBA2021. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Alimentatori per lampade fluorescenti Considera un reattore elettronico implementato su un microcircuito UBA2021. Lo schema circuitale di un alimentatore elettronico per una lampada fluorescente da 58 W è mostrato in Fig. 3.31. Il "cuore" dell'alimentatore elettronico è il chip UBA2021. Questo circuito integrato personalizzato è progettato per funzionare sia con lampade fluorescenti convenzionali che compatte. L'UBA2021 include un driver ad alta tensione con un circuito di attivazione, un generatore e un timer che forniscono il controllo nelle fasi di avvio, riscaldamento, accensione e combustione della lampada, nonché protezione contro la modalità capacitiva. Il circuito integrato è in grado di sopportare tensioni fino a 390 V e picchi di tensione a breve termine (t < 0,5 s) fino a 570-600 V. La tensione di alimentazione a bassa tensione è fissata internamente, eliminando la necessità di installare un diodo zener esterno. La fissazione viene effettuata a correnti fino a 14 mA con burst a breve termine (t < 0,5 s) fino a 35 mA. Lo schema a blocchi di UBA2021 è mostrato in Fig. 3.32. Il microcircuito è realizzato in una custodia di plastica con 14 pin (DIP-14 o SO-14). Assegnazione dei pin del chip UBA2021 è riportato in tabella. 3.5. Tabella 3.5. Assegnazione dei pin del chip UBA2021
Il reattore elettronico funziona nell'intervallo di tensione di rete di 185-265 V a una frequenza di 50-60 Hz. Il controllo automatico mantiene la potenza di combustione della lampada nell'intervallo 47,6-50,3 W quando la tensione di rete cambia nell'intervallo 200-260 V. UBA2021 controlla il funzionamento dei potenti MOSFET PHX3N50E, che sono le chiavi di un inverter a mezzo ponte, che è alimentato da una rete con tensione nominale di 23 V i1 con frequenza 50-60 Hz. Ciò garantisce il necessario spostamento dei livelli di potenza dei transistor ad effetto di campo, fornendo protezione contro il funzionamento capacitivo. I principali vantaggi di questo prodotto sono il numero ridotto di componenti esterni e il basso costo dovuto all'utilizzo dell'IC UBA2021, che può fornire la massima flessibilità di progettazione con un numero minimo di elementi periferici. Considera il funzionamento del circuito in modo più dettagliato. La tensione di rete CA viene convertita in tensione CC (310 V) utilizzando un raddrizzatore a ponte a quattro diodi (o ponte a diodi) e un condensatore di livellamento, che alimenta l'inverter a mezzo ponte. Un filtro di rete per la soppressione delle interferenze impedisce l'ingresso di interferenze nella rete. L'inverter a mezzo ponte appartiene al gruppo dei convertitori di tensione risonanti ad alta frequenza, utili per il controllo delle lampade a scarica di gas. Il principio utilizzato di commutare due potenti transistor MOS a tensione zero consente di ridurre le perdite di commutazione e garantire un'elevata efficienza di zavorra. Dopo aver applicato la tensione di rete, la lampada fluorescente viene prima riscaldata. Questo si chiama soft start e garantisce un funzionamento affidabile e duraturo della lampada. La quantità di corrente di riscaldamento è regolata dal microcircuito UBA2021. Questa corrente che passa attraverso i filamenti della lampada riscalda gli elettrodi della lampada a una temperatura che consente un'emissione di elettroni sufficiente. Il riscaldamento consente di ridurre la tensione di accensione della lampada, riducendo così il carico di scosse elettriche sugli elementi del circuito. Dopo l'accensione, la tensione di rete raddrizzata viene fornita al condensatore tampone C4 attraverso il resistore R1 (Fig. 3.31), che limita la corrente di spunto. Il condensatore attenua le ondulazioni di tensione al doppio della frequenza di rete. La risultante tensione continua ad alta tensione VHV (310 V) fornisce alimentazione a un inverter a semiponte, i cui componenti di potenza includono transistor VT1, VT2, bobina L1, condensatori C5, C6, C7 e lampada EL1. Nella fase di avvio, la corrente proveniente dal condensatore ad alta tensione C4 passa attraverso il resistore R2, il filamento della lampada, il resistore R7, i pin 13 e 5 del microcircuito UBA2021, collegati tra loro durante il periodo di avvio da un interno interruttore e carica i condensatori di alimentazione a bassa tensione C9, C11 e C13. Non appena la tensione di alimentazione VS su C13 raggiunge 5,5 V, UBA2021 commuta, a seguito della quale il transistor VT2 si apre e il transistor VT1 si chiude. Ciò consente di caricare il condensatore di avviamento C12 attraverso il circuito interno del microcircuito. La tensione di alimentazione VS continua ad aumentare e a VS > 12 V l'oscillatore interno del chip inizia a generarsi. Il consumo di corrente dell'IC è fissato internamente a circa 14 mA. Poi arriva il passaggio a fase di riscaldamento. In assenza di lampada l'avviamento viene automaticamente bloccato, poiché in questo caso il circuito di carica del condensatore di avviamento è interrotto. Nella fase di riscaldamento, i transistor MOS VT1 e VT2 vengono alternativamente trasferiti allo stato di conduzione. Ciò genera una tensione alternata rettangolare attorno al punto medio del semiponte con ampiezza VHV. La frequenza di oscillazione iniziale è 98 kHz. In queste condizioni, il circuito composto da C8, VD5, VD6, C9 e SY è in grado di svolgere la funzione di una fonte di alimentazione a bassa tensione, alla quale durante l'avvio veniva fornita corrente attraverso il pin 13 dell'IC. Durante un intervallo di tempo di circa 1,8 s (tempo di riscaldamento tPRE), la cui durata è determinata dai valori C16 e R8, il sistema è in modalità riscaldamento. In questo caso, una corrente controllata* passa attraverso i filamenti della lampada, consentendo un riscaldamento ottimale di entrambi gli elettrodi della lampada. Gli elettrodi riscaldati emettono un gran numero di elettroni nella lampada e in questo stato sono necessarie tensioni significativamente più basse per accenderla, il che riduce al minimo i carichi elettrici d'urto sugli elementi del circuito e sulla lampada al momento dell'accensione. Il riscaldamento degli elettrodi è molto importante per garantire una lunga durata della lampada (circa 20mila ore). Dopo la generazione, una piccola corrente alternata inizia a fluire dal punto medio del semiponte attraverso i filamenti della lampada, L1 e C7. La frequenza di oscillazione diminuisce gradualmente, il che porta ad un corrispondente aumento del valore corrente. La velocità di riduzione della frequenza è determinata dalla capacità del condensatore C14 e dalla sorgente di corrente interna dell'IC. La frequenza smette di diminuire non appena viene raggiunto un certo valore della tensione di corrente alternata sui resistori R5 e R6, che sono sensori di corrente di riscaldamento. Durante l'intera fase di riscaldamento, la frequenza operativa dell'inverter a semiponte rimane al di sopra della frequenza di risonanza della catena L1C7 (55,6 kHz) e per questo motivo la tensione su C7 è ancora bassa per accendere la lampada. Consiglio. È molto importante mantenere questa tensione sufficientemente bassa: dopo tutto, l'accensione prematura, cosiddetta a freddo, porta ad una rapida usura degli elettrodi della lampada. Il valore di induttanza della bobina di zavorra L1 è determinato dalla corrente richiesta attraverso la lampada, dalla capacità del condensatore di accensione C7 e dalla frequenza operativa nella modalità di combustione. Il valore minimo della capacità C7 è determinato dall'induttanza L1, dalla tensione sulla lampada che non porta all'accensione con una determinata corrente di riscaldamento e dalla tensione di rete minima. Di conseguenza, il valore ottimale per il riscaldamento è il valore della capacità C7 pari a 8,2 nF. Dopo la fine della fase di riscaldamento, l'UBA2021 riprende riducendo ulteriormente la frequenza di commutazione del semiponte fino alla frequenza più bassa fв (39 kHz). Tuttavia ora la frequenza diminuisce molto più lentamente rispetto alla fase di preriscaldamento. La frequenza di commutazione si sposta sulla frequenza di risonanza della catena in serie, costituita dall'induttanza L1 e dalla capacità totale del condensatore C7 e degli elettrodi della lampada (55,6 kHz), e la resistenza dei condensatori di blocco della corrente continua C5 e C6 è piuttosto piccola. La massima tensione di accensione nel caso peggiore (quando sia l'apparecchio che il circuito del reattore elettronico sono collegati alla terra di protezione della rete) per una lampada TL-D 58W a basse temperature è di circa 600 V. La combinazione dell'induttore di zavorra L1 e del condensatore di accensione C7 è selezionata in modo tale che la tensione sulla lampada possa superare i 600 V richiesti per un'accensione affidabile. L'entità della tensione di accensione determina il valore massimo della capacità C7 ad un dato induttanza L1, selezionata in base alla frequenza inferiore fв UBA2021. La frequenza più bassa fв è impostata dai valori di R8, C15. Durata massima possibile della fase di accensione tIGN pari a 1,7 s (è 15/16 di tPRE); si installa selezionando C16 e R8. Supponiamo che la lampada sia accesa durante il processo di diminuzione della frequenza; quindi la frequenza diminuisce fino al valore minimo /v. UBA2021 può effettuare la transizione alla fase di combustione due strade:
Durante la fase di combustione la frequenza di oscillazione nel circuito diminuisce solitamente fino a fв (39 kHz), che può essere utilizzata come frequenza operativa nominale. Tuttavia, a causa dell'uso del controllo automatico nei reattori elettronici, la frequenza di oscillazione dipende dalla quantità di corrente che scorre attraverso il pin 13 (pin RHV) dell'IC UBA2021. Il controllo automatico inizia a funzionare dopo aver raggiunto fв. Il controllo automatico stabilizza in modo significativo il flusso luminoso emesso dalla lampada in un'ampia gamma di variazioni della tensione di rete. Durante la fase di avvio, i condensatori di alimentazione a bassa tensione C9, C10 e C13 vengono caricati dalla corrente che scorre dal condensatore ad alta tensione C4 attraverso R2, il filamento della lampada, R7 e i pin 13 e 5 collegati internamente dell'UBA2021. Nella fase di combustione avviene la ricommutazione. Invece del pin 5, il pin 13 è collegato al pin 8. Ora la corrente che scorre attraverso i resistori R2 e R7 viene utilizzata come parametro informativo nel sistema per controllare automaticamente la frequenza di commutazione dell'inverter di potenza, poiché l'intensità di questa corrente è proporzionale al livello della tensione di rete raddrizzata. L'ondulazione con frequenza doppia della rete (100-120 Hz) è filtrata dal condensatore C16. Di conseguenza, il flusso luminoso emesso dalla lampada rimane pressoché costante al variare della tensione di rete nell'intervallo da 200 a 260 V. A frequenze superiori a 10 kHz la lampada può essere considerata un carico resistivo. L'emissione luminosa delle lampade tubolari eccitate a frequenze superiori a 10 kHz è significativamente migliore rispetto a quando sono alimentate ad una frequenza di 50-60 Hz. Ciò significa che una lampada TL-D 58W con un'alimentazione ad alta frequenza di 50 W emette lo stesso flusso luminoso di una lampada TL-D 58W con un'alimentazione di 58 W ad una frequenza di 50-60 Hz. Il punto di funzionamento stazionario di un TL-D 58W collegato ad un alimentatore elettronico è caratterizzato da una tensione della lampada di 110 V e una corrente che la attraversa di 455 mA, che corrisponde ad una potenza di alimentazione di 50 W. Il valore di induttanza della bobina di zavorra L1 è determinato dal punto di funzionamento della lampada, dalla capacità del condensatore di accensione C7 e dalla frequenza operativa, che è di circa 45 kHz con una tensione di rete nominale di 230 V. La potenza di eccitazione desiderata della lampada può essere ottenuta con varie combinazioni di induttanza L1 e capacità C7. La scelta di una combinazione specifica dipende da fattori quali la modalità di riscaldamento, la tensione di accensione minima richiesta e le tolleranze sui parametri dei componenti del circuito. Nella maggior parte dei casi, la combinazione ottimale è una bobina d'induttanza L1 con un'induttanza di 1 mH e un condensatore di accensione C7 con una capacità di 8200 pF. Per proteggere gli elementi del circuito di potenza da sovraccarichi significativi, il microcircuito ha una funzione di protezione incorporata contro la modalità operativa capacitiva, che è attiva durante le fasi di accensione e combustione. Il chip UBA2021 controlla l'entità della caduta di tensione tra R5 e R6 quando il transistor VT2 è acceso in ciascun ciclo operativo dell'inverter. Se questa tensione è inferiore a 20 mV, il che significa che il circuito funziona in modalità capacitiva, l'UBA2021 inizia ad aumentare la frequenza di commutazione a un ritmo molto più veloce di quanto l'ha ridotta durante le fasi di riscaldamento e accensione. Di conseguenza, la frequenza di commutazione supererà la frequenza di risonanza. Quando i segni della modalità capacitiva scompaiono, la frequenza di commutazione viene nuovamente ridotta a quella richiesta. La protezione dalla rimozione della lampada è fornita dal metodo di alimentazione a bassa tensione per UBA2021. Quando la lampada viene rimossa, la tensione CA sul condensatore C6 diventa zero, il che porta alla scomparsa dell'alimentazione a bassa tensione dell'IC. Dopo aver sostituito la lampada senza scollegare l'alimentatore elettronico, il funzionamento del circuito riprenderà dalla fase di avviamento. Infine, l'avvio del reattore elettronico è impossibile in assenza di una lampada, poiché in questo caso il resistore di avviamento R7 è disconnesso dalla tensione ad alta tensione. L'alimentatore elettronico contiene un condensatore elettrolitico C4 tipo ASH-ELB 043. Questi condensatori, appositamente progettati per l'uso in circuiti elettronici di alimentazione per lampade fluorescenti, sono caratterizzati da una lunga durata (15000 ore) a temperature fino a 85 ° C e resistono significative increspature attuali. Gli interruttori di potenza nell'inverter sono transistor ad effetto di campo del tipo PHX3N50E (l'indice E indica una maggiore affidabilità del dispositivo). Utilizzando il principio di commutazione a tensione zero, le perdite di commutazione dei MOSFET sono ridotte al minimo. Il riscaldamento di ciascuno dei transistor è causato solo dalle perdite nello stato di conduzione e il grado di aumento della temperatura dipende dalla resistenza del canale drain-source aperto RDS su e resistenza termica della custodia Rtn. La durata delle fasi di riscaldamento e accensione è piuttosto breve, quindi la scelta del tipo di transistor MOS è stata determinata dalla quantità di corrente che scorre attraverso l'induttore del ballast nella modalità di accensione della lampada. Il PHX3N50E presenta una tensione DC drain-to-source massima di 500 V e una resistenza sul canale inferiore a 3 ohm. Il design della bobina di zavorra L1 con un'induttanza di 1 mH, che può sopportare correnti di accensione di picco fino a 2,5 A, ne consente l'utilizzo in circuiti senza messa a terra protettiva. L'accenditore nel reattore elettronico è il condensatore C7 con una capacità di 8200 pF tipo KR/MMKR376. Questo tipo di condensatore è progettato per l'uso in circuiti con velocità di risposta ad alta tensione e velocità di ripetizione elevate. Il condensatore installato è in grado di sopportare un'oscillazione di tensione fino a 1700 V (tensione sinusoidale efficace di 600 V). Il condensatore può essere sostituito con un polipropilene K78-2 1600 V. Tipi consigliati di componenti per reattori elettronici sono riportati in tabella. 3.6. E a tavola 3.7 sono dati caratteristiche energetiche dei reattori elettronici sul chip UBA2021. Tabella 3.6. Tipi consigliati di componenti elettronici EPR
Tabella 3.7. Caratteristiche energetiche dei reattori elettronici
Autore: Koryakin-Chernyak S.L.
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