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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Alimentatore elettronico universale warm start per lampade fluorescenti T8. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / illuminazione L'autore propone il progetto di un alimentatore elettronico per lampade fluorescenti T8, assemblato su un microcircuito specializzato ICB1FL02G. Il dispositivo è dotato di un correttore di potenza attivo, fornisce protezione contro le modalità di emergenza e dispone di sette diverse opzioni per il collegamento di lampade di diversa potenza. Reattore elettronico: un reattore elettronico, spesso chiamato reattore elettronico, viene utilizzato per accendere e mantenere la modalità operativa delle lampade a scarica di gas (in questo caso lampade fluorescenti). I vantaggi di un reattore elettronico rispetto a uno starter e uno starter convenzionali sono evidenti, come l'assenza di sfarfallio della lampada all'avvio, un fattore di potenza più elevato, un fattore di ondulazione del flusso luminoso significativamente inferiore, nonché un costo inferiore, ecc. Al giorno d'oggi, quasi tutte le lampade fluorescenti, sia in ufficio che a casa, sono dotate di un alimentatore elettronico. In termini di circuiti, i reattori elettronici prodotti in serie possono essere suddivisi in due categorie. Il primo è un convertitore a mezzo ponte con avvio automatico su due potenti transistor ad alta tensione della serie 13007 con correttore di potenza passivo. I reattori di questo tipo sono i più economici e comuni, operando a una frequenza di 36...38 kHz. Il secondo - reattori elettronici più costosi, assemblati su microcircuiti specializzati, ha un correttore di potenza attivo e una funzione di avvio "a caldo". Di solito hanno una frequenza dell'oscillatore di 36...48 kHz e si distinguono per un coefficiente di pulsazione del flusso luminoso molto basso - 2...5%. Per fare un confronto: per una lampada accesa con uno starter e uno starter convenzionali, le pulsazioni del flusso luminoso sono di circa il 40 ... 60%, con un reattore elettronico economico - circa il 15%. La versione del reattore elettronico su un microcircuito specializzato sarà discussa in questo articolo. Principali caratteristiche tecniche
Il reattore è assemblato su un controller a microcircuito specializzato di reattore elettronico per lampade fluorescenti - ICB1FL02G, sviluppato da Infineon. I reattori su questo chip sono simili nei circuiti ai reattori sui chip International Rectifier, ad esempio IR2168, IR2166, ma richiedono meno elementi esterni e, come ha dimostrato la pratica, sono più stabili e affidabili (questa è l'opinione soggettiva dell'autore). Lo schema del dispositivo è mostrato in fig. 1. La sua principale caratteristica distintiva sono sette configurazioni (opzioni) per il collegamento delle lampade: 1x18 (una lampada fluorescente T8 con una potenza di 18 W), 1x36, 1x58, 2x18, 2x36, 3x18, 4x18 (Fig. 2). Una descrizione dettagliata del funzionamento del microcircuito è data in [1]. Il funzionamento del reattore può essere suddiviso in tre fasi: preriscaldamento dei catodi della lampada, accensione e modalità di funzionamento. Il preriscaldamento è implementato come segue. Subito dopo l'accensione, il generatore di clock del microcircuito inizia a funzionare a una frequenza di circa 125 kHz. Dopo 10 ms, la sua frequenza diminuisce dolcemente a 65 kHz: questa è la frequenza di preriscaldamento, impostata dal resistore R22. Questo valore è molto più alto della frequenza di risonanza del circuito ballast di uscita L2C14, quindi la tensione applicata ai catodi delle lampade non sarà sufficiente per accenderle. Inizia il preriscaldamento delle lampade, la cui durata è impostata dal resistore R26 ed è selezionata nell'intervallo da 0 a 2 s (nel nostro caso 1 s). Durante questo periodo, la frequenza rimane invariata. Durante il periodo di preriscaldamento, i catodi delle lampade saranno sufficientemente riscaldati dalla corrente ad alta frequenza e il gas nelle lampade inizierà a ionizzarsi parzialmente. Di conseguenza, la successiva accensione avverrà in modalità meno "stressante" per i filamenti della lampada e con picchi di corrente inferiori attraverso i transistor VT2, VT3. La funzione di preriscaldamento in modo significativo, a volte più volte, aumenta la durata della lampada fluorescente.
Dopo un tempo di preriscaldamento dei successivi 40 ms, la frequenza di clock del microcircuito ricomincerà a diminuire. Man mano che si avvicina alla frequenza di risonanza del circuito L2C14, la tensione applicata dalle piastre del condensatore C14 ai catodi delle lampade inizierà ad aumentare bruscamente e, quando raggiungerà 600 ... 800 V, si verificherà l'accensione. Se in questo momento la tensione sul sensore di corrente - il resistore R27 raggiunge la soglia di 0,8 V, e ciò può accadere, ad esempio, quando si tenta di accendere il reattore senza carico o se una delle lampade si guasta, il controller del microcircuito lo farà smettere di ridurre ulteriormente la frequenza del convertitore e ricominciare ad aumentarla , il che, a sua volta, causerà una diminuzione della tensione attraverso il condensatore C14. Questo viene fatto per evitare picchi di corrente e tensione eccessivi all'uscita del convertitore. Quando la caduta di tensione scende al di sotto di 0,8 V attraverso il resistore R27, la frequenza diminuirà nuovamente. Questo processo può essere ripetuto più volte fino a quando non viene ricevuto un segnale di accensione riuscito. Questo segnale è la comparsa di una corrente sinusoidale con un'ampiezza non superiore a 2,5 mA all'ingresso LVS1 (LVS - Lamp Voltage Sense, pin 13) DA1 e un'oscillazione di tensione trapezoidale non superiore a 3,2 V all'ingresso RES (RESTART, pin 12) DA1. Il tempo massimo di accensione può essere fino a 235 ms. In caso di mancata accensione delle lampade, il microcircuito andrà in modalità di emergenza e smetterà di commutare i transistor VT2 e VT3. In caso di accensione riuscita, DA1 passerà alla modalità operativa, la frequenza del generatore di clock diminuirà al valore operativo, che è impostato dal resistore R18. Tutte e tre le fasi del funzionamento del reattore: riscaldamento, accensione e modalità operativa sono illustrate dall'oscillogramma in Fig. 3 (l'oscilloscopio è collegato ai pin 3, 9 del connettore XS1). Sulla fig. 4 mostra la forma d'onda della tensione nello stato stazionario di funzionamento con quattro lampade da 18 W collegate ciascuna.
In modalità operativa, vengono attivate funzioni di protezione aggiuntive: EOL (End Of Life) - la fine della vita della lampada, protezione contro il funzionamento in modalità capacitiva, protezione contro l'effetto raddrizzante delle lampade. In caso di un forte aumento della corrente attraverso la lampada, che può verificarsi entro la fine della sua vita utile, la corrente nel circuito aumenterà a 215 μA: più alimentazione, R14, R16, R21, R23, R30, lampada filamento, R17, R15, R13, R12, chip sensore di corrente interno DA1. Ciò attiverà la protezione EOL e il reattore si spegnerà. Se i semicicli positivi e negativi della corrente che scorre attraverso questo circuito non sono uguali in ampiezza, ciò significa che la lampada funziona in modalità raddrizzatore. In altre parole, c'è più corrente attraverso la lampada in una direzione che nell'altra. Questo effetto è causato dall'usura prematura di uno dei catodi della lampada. In questo caso, anche il reattore entra in modalità di emergenza. Se durante il funzionamento del reattore il contatto nel circuito della lampada viene interrotto, ad esempio a causa di un portalampada difettoso o della bruciatura di uno dei filamenti, la resistenza del circuito aumenterà bruscamente e lo stadio di uscita passerà al funzionamento capacitivo, che a sua volta può causare risonanza. In questo caso, la tensione all'ingresso RES supererà il livello di 1,6 V, che farà scattare la protezione e spegnerà il reattore. Inoltre, gli ingressi LVS1 e RES del chip DA1 servono a controllare il collegamento delle lampade durante tutto il tempo in cui il reattore è in funzione. Se una delle lampade viene rimossa mentre il reattore è in funzione, il reattore si spegnerà. Il correttore di potenza attivo è montato su un trasformatore T1, un transistor VT1, un diodo VD2 e un condensatore C5. Il suo scopo è quello di avvicinare il più possibile la forma della corrente consumata alla forma della tensione, per ridurre lo sfasamento tra corrente e tensione, minimizzando così la potenza reattiva. Il principio del suo funzionamento è descritto in dettaglio in [1] e [2]. Una caratteristica di questo correttore è la capacità di lavorare sia in modalità di conduzione critica (CCM) che in modalità di conduzione discontinua (DCM). Il partitore R8-R11C6 viene utilizzato per controllare il valore istantaneo della tensione di alimentazione e determinare il tempo di chiusura del transistor VT1. L'avvolgimento secondario del trasformatore T1, collegato tramite un resistore limitatore di corrente R3 all'ingresso PFCZCD (pin 7) DA1, è necessario per determinare il momento in cui la corrente attraverso l'avvolgimento primario del trasformatore raggiunge lo zero. Non appena ciò accade, verrà applicato un impulso di apertura al gate del transistor VT1. Entrambi gli avvolgimenti del trasformatore T1 devono essere in fase. Il microcircuito viene alimentato al primo momento dopo l'accensione dal circuito R1, R2, R5. In futuro - dallo stadio di uscita attraverso lo stabilizzatore C12C13R28VD5VD6C10. Per collegare quattro lampade al ballast, il produttore del microcircuito consiglia di utilizzare due circuiti di ballast di uscita collegati in parallelo, in ogni circuito ci sono due lampade collegate in serie [1]. Ma poi sorge il problema successivo. Anche con una leggera diffusione dei parametri del circuito LC di uscita, le coppie di lampade possono essere accese non contemporaneamente, il che non è molto piacevole per la percezione. D'altra parte, quattro lampade collegate in serie sono abbastanza problematiche da accendere, poiché non hanno il tempo di riscaldarsi a sufficienza durante il preriscaldamento e per l'accensione è necessaria molta più energia. Inoltre, non dobbiamo dimenticare le perdite sui cavi di collegamento. La soluzione era lasciare un circuito di uscita, ma aggiungere un trasformatore step-down ausiliario a bassa potenza T2. Compensa le perdite alla giunzione delle lampade, migliora il riscaldamento delle lampade e ne facilita l'accensione. È stato stabilito sperimentalmente che la potenza del trasformatore T2 dovrebbe essere l'8 ... .10% della potenza totale delle lampade, il rapporto di trasformazione è 20.30. Quando si collegano lampade 1x18, 2x18, 1x36 al reattore, il trasformatore T2 e i condensatori di accoppiamento C11, C16 e C18 devono essere rimossi per evitare di fornire potenza in eccesso alle lampade. La documentazione [1] fornisce il calcolo di tutti gli elementi principali del ballast, ad eccezione del circuito di uscita L2C14. L'induttanza dell'induttore L2 e la capacità del condensatore C14 sono calcolate come segue. Potenza massima della lampada (4x18 o 2x36) P=72 W, frequenza operativa selezionata f=41 kHz, frequenza di accensione fign=48 kHz [1], utilizzando un avvio "a caldo", la tensione di accensione ottimale Uign≈700 V. Dal rapporto di energia che otteniamo E = P/f = C U2/ 2, quindi DO14 = 2P/(fign·Uign2) = 2 72/(48 103· 7002) ≈ 6,1 nF. Tra i condensatori disponibili, è stato scelto un condensatore da 6,8 nF. Ora determiniamo l'induttanza dell'induttore L2. La frequenza è f = 1/(2π√LC), quindi L2 = 1/(4π2Cf2) = 1/(4π26,8 412· 106) = 2,2 mH. D'altra parte, l'induttanza dell'induttanza del ballast deve soddisfare la condizione L2 = (uPete - Uл) tAperto/Iл , dove seiPete - tensione di alimentazione; uл - tensione operativa sulle lampade (la tensione operativa di una lampada da 18 W è approssimativamente pari a circa 56 V, quindi Uл=4 56=224 V); tAperto - tempo di apertura del transistor a f=41 kHz, tAperto ≈11,5 µs (secondo [1]); IOл≈0,33 A - corrente di funzionamento della lampada. Da qui L2 = (290 - 224) 11/330 = 2,2 mH. Determiniamo la corrente massima dell'induttore L2, sarà uguale alla corrente del condensatore C14 al momento della risonanza IL2 = urez2πfrezC = 700 2π 48 1036,8 10-9 = 1,4 A. Scegliamo un nucleo magnetico adatto alla potenza complessiva, ad esempio EV25/13/13. Stimiamo il gioco richiesto g: g = (4 10-4π LImax2)/(S B2), dove S è l'area della sezione trasversale del circuito magnetico, m (per EV25/13/13 S=75 mm2); B - massima induzione, T; L - induttanza, H; IOmax - corrente massima, A. Prendiamo l'induzione B = 0,22 T. Ottenere g = (4 10-4π 2,2 10-3· 1,42)/(75 10-6· 0,222) = 1,5 mm. Calcola il numero di giri N dell'induttore L2: L=N2·UNL, quindi N = √(LAL) ; UNL =(AL0λ)/(μeg) dove unL - induttanza per giro (circuito magnetico con gap), H; UNL0 - induttanza per giro (circuito magnetico senza interruzione, informazioni dal libro di consultazione), H; λ è la lunghezza della linea elettrica media del circuito magnetico, mm; μe - permeabilità magnetica iniziale del materiale del circuito magnetico (informazioni dal libro di riferimento). Per nucleo magnetico EV25/13/13, materiale N87 - AL0=2400 nH, λ=59 mm, μe= 1520. Quindi AL = (2400 10-959 10-3)/(152 1,5 10-3) = 6,7 10-8 gn, N = √(2,2 10-3/6,7 10-8) = 181 giri. Verifichiamo l'induzione massima B = (lmax·μ0N)/g, dove μ0 = 4π 10-7 H/m ; B = (1,4 4π 10-7181)/(1,5 10-3) = 0,212 T L'induttore è avvolto con filo 4x0,2 mm (quattro fili con un diametro di 0,2 mm). Se possibile, è auspicabile dividere l'avvolgimento in sezioni. Il dispositivo è assemblato su un circuito stampato in fibra di vetro laminata su un lato. Il disegno del circuito stampato è mostrato in fig. 5. Tutti gli elementi per il montaggio superficiale si trovano sul lato dei conduttori stampati, tutti gli elementi di uscita si trovano sul lato opposto. La posizione degli elementi è mostrata in fig. 6. Le foto del dispositivo assemblato sono mostrate in fig. 7 e fig. 8. Condensatore C14 - film metallico, per una tensione di 1600 V, condensatori C11-C13 - film metallico o disco ceramico per una tensione di 1000 V, condensatori C16, C18 - 100 V. Diodi VD2, VD4 - ad alta velocità con a tensione inversa consentita di almeno 600 V. I transistor FQD5N50 (VT1-VT3) possono essere sostituiti con SPP03N60C3 o simili. Il trasformatore T1 è avvolto su un nucleo magnetico E25/13/7, materiale N27, traferro amagnetico 1,6 mm. L'avvolgimento primario contiene 184 giri di filo 4x0,2 mm, il secondario - 14 giri di filo con un diametro di 0,3 mm. Il trasformatore T2 è avvolto su un circuito magnetico E16/8/5, materiale N27, senza gioco. L'avvolgimento 1-2 contiene 208 giri, gli avvolgimenti 11 - 14, 6 - 7, 10 -13 - 24 giri ciascuno, gli avvolgimenti 4 - 5, 8 - 9 - 12 giri ciascuno. Il diametro del filo di tutti gli avvolgimenti è di 0,18 mm. Resistori di impostazione della frequenza R18, R22, R26, è preferibile scegliere con una tolleranza dello 0,5-1%. Un dispositivo correttamente assemblato di solito inizia a funzionare immediatamente e non richiede regolazioni.
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