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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Alimentatore elettronico per lampade LB-20. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / illuminazione Lo svantaggio principale delle lampade a incandescenza è la loro bassa efficienza e, di conseguenza, l'elevato consumo di energia elettrica. È possibile ridurre il consumo di energia elettrica durante l'illuminazione degli ambienti se si utilizzano lampade fluorescenti con un'efficienza maggiore. I reattori elettronici sono ormai ampiamente utilizzati all'estero, fornendo una luce “morbida” e non pulsante. L'introduzione diffusa di reattori elettronici nell'industria era precedentemente ostacolata dal costo elevato dei componenti, dalle velocità di commutazione dei transistor non sufficientemente elevate e dalla produzione costosa. Tutte queste carenze sono state eliminate dopo il rilascio dei nuovi ed economici gate driver MOS IR2151 di International Rectifier e di altre società simili. Questi driver sono circuiti integrati di potenza monolitici in grado di pilotare due transistor, MOSFET o convertitori a mezzo ponte IGBT. Possono funzionare con tensioni di alimentazione fino a 600 V e hanno forme di impulso di uscita chiare con un ciclo di lavoro dallo 0 al 99%. Lo schema funzionale del driver IR 2151 è mostrato in Fig. 1.
Il driver contiene una parte di ingresso basata su amplificatori operazionali, che possono funzionare in modalità auto-oscillatore. La frequenza è determinata da elementi pendenti aggiuntivi collegati ai terminali Ct, Rt. I generatori di pausa a zero forniscono un ritardo nell'accensione del transistor di uscita di 1 μs dopo lo spegnimento del transistor precedente. L'isolamento galvanico viene effettuato nel canale laterale superiore, quindi la tensione viene amplificata da un amplificatore di potenza utilizzando transistor ad effetto di campo e la tensione di uscita dall'uscita HO viene fornita al gate del transistor di potenza. Il braccio inferiore funziona da un oscillatore principale attraverso un generatore di pausa a zero e un dispositivo di ritardo. Per garantire un funzionamento stabile del driver, all'interno è presente un diodo zener che limita la tensione a 15 V. Il circuito del reattore elettronico è mostrato in Fig. 2.
La frequenza operativa del convertitore è determinata dal circuito R2C5 fg = 1/(1,4R2C5) = 40 kHz. Il driver è alimentato tramite la resistenza R1, stabilizzata da un diodo zener interno a 15 V e filtrata dal condensatore C4. L'amplificatore high-side gate è alimentato tramite un circuito a "pompa" di carica, ovvero attraverso il resistore R3 e il diodo VD5. La tensione di uscita del convertitore dal condensatore C7, fornita alle lampade fluorescenti, ha una forma rettangolare. Le lampade sono collegate in un circuito risonante in serie in modo tale che le correnti della lampada scorrono attraverso i filamenti; dopo l'accensione, i filamenti si riscaldano e le lampade si accendono. Le frequenze di risonanza dei circuiti C9, L2 e C10, L3 sono 40 kHz. Per ridurre il fattore di picco del consumo di energia elettrica, il carico del raddrizzatore viene scelto come induttivo (l'induttore L1 e il condensatore C2, il condensatore C3 collegato in parallelo servono a ridurre l'ampiezza della componente variabile ad alta frequenza). In questo caso non è necessario alcun filtro antirumore in ingresso ed è assicurata una connessione “soft” alla rete (il fattore di cresta è il rapporto tra l'ampiezza della corrente consumata e il valore efficace della corrente stessa ). Per limitare la velocità di commutazione dei transistor a livello di 40-50 ns, nelle porte dei transistor sono inclusi i resistori R4 e R5 con una resistenza di 24 Ohm. La limitazione delle velocità di commutazione è necessaria per ridurre l'influenza delle induttanze parassite e delle capacità della scheda elettronica. Limitare le velocità di commutazione a questo livello consente un design dal funzionamento affidabile. Quando si costruisce un circuito, è necessario selezionare correttamente la resistenza del resistore limitatore R1, per questo è necessario tenere conto di tutte le correnti che lo attraversano: I0 - corrente di riposo del microcircuito IR2151; I2 è la corrente necessaria per accendere il cancello VT2; Iв - corrente del resistore di temporizzazione R2; In - corrente della “pompa” di carica per alimentare l'amplificatore high-side; Iс è la corrente del diodo zener interno del microcircuito per il funzionamento stabile dello stabilizzatore. La corrente di riposo del chip IR2151 a temperatura normale è di 1 mA e diminuisce del 10% quando la temperatura aumenta di 100 °C. Lo prendiamo uguale a I0=1,1 mA. La corrente richiesta per accendere il gate VT2 è determinata dalla formula I2 = 2Qgfpr, dove Qg è la carica di gate del transistor IRF730 (Qg = 18 nC); fpr - frequenza di conversione pari a 40 kHz, ovvero I2 = 1,4 mA. La corrente del resistore di temporizzazione R2 Iâ = 0,25 Ucc/R2 = 0,25 15/18•103 = 0,21 mA. La corrente della “pompa” di carica ha due componenti: 1) quando un segnale di commutazione viene applicato al gate del transistor VT1, la tensione al primo istante è bassa e l'ampiezza della corrente è di circa 10 mA con una durata di 200 ns; 2) quando un segnale di commutazione viene applicato al gate del transistor VT1, la tensione al primo momento rimane approssimativamente uguale alla tensione di alimentazione dell'amplificatore di uscita del livello superiore del microcircuito, l'ampiezza della corrente è di circa 20 mA con una durata di 200 ns, quindi la corrente della “pompa” di carica Iн=(10•10-3+20•10-3)200•10-9•40•103=0,24мА. La corrente del diodo zener interno del microcircuito può variare da 0,1 a 5 mA. Tenendo conto della variazione della tensione di alimentazione, selezioniamo la corrente del diodo zener interno Iс = 0,5 mA. Determiniamo la corrente totale che scorre attraverso il resistore R1, IR1 = I0 + I2 + Iv + In +Ic = 1,1 + 1,4 + 0,21 + +0,24 + 0,5 = 3,45 mA Resistenza del resistore R1 R1 = (190 - 15)/3,45•10-3 = 50 kOhm. Selezioniamo il valore standard di 47 kOhm. Strutturalmente, l'alimentatore elettronico è realizzato su due schede. La parte di ingresso (condensatore C1, diodi VD1...VD4, induttore L1, condensatore C2) è montata mediante un montaggio a cerniera. Quando si collega a una rete industriale, è necessario inserire in serie un fusibile da 0,5 A. Il resto del circuito si trova sul circuito stampato. Il posizionamento degli elementi su di esso è mostrato in Fig. 3.
Come diodi raddrizzatori VD1...VD4 è possibile utilizzare qualsiasi diodo a bassa frequenza con una corrente diretta media superiore a 0,2 A, una tensione inversa massima superiore a 350 V (ad esempio D226, D237B, V, ZH, KD109V , KD209A, KD209B o raddrizzatore a ponte KTs405). Invece del driver IR2151, puoi utilizzare IR2152, IR2153, IR2154, IR2155 senza alcuna modifica nel circuito. Invece dei transistor ad effetto di campo IRF730, puoi utilizzare IRF720, IRF740 simili. Non sono necessari radiatori per transistor. Tutti i resistori del circuito sono di tipo MLT-0,125, il resistore R1 è MLT-1, R6 è MLT-0,5. Come induttore L1, è possibile utilizzarne uno simile con un'induttanza di 1,3-2,0 H per una corrente di 0,20,25 A, è adatto anche un induttore dei televisori a tubo in bianco e nero DR2,3-0,21. Condensatori C8, C9, C10 tipo K31U-3E-5, è possibile utilizzare condensatori tipo KSO, K73-17. Condensatore C2 tipo K50-7; C5, C6-KM5; C1, C3, C7 tipo K73-17 per tensione 400 V. Il circuito stampato è progettato in modo tale che i valori del resistore R1 e dei condensatori C9, C10 possano essere selezionati mediante collegamento in parallelo. Gli induttori L2 e L3 sono avvolti su anelli di marca Alsifer VC-32R con un diametro di 29 mm e contengono ciascuno 320 spire di filo PEV-2 con un diametro di 0,3 mm. Come nucleo è possibile utilizzare ferrite Ø7x7 µ2000NM con uno spazio di 0,5 mm. Senza alcuna modifica al circuito, al posto delle lampade LB-20 è possibile utilizzare le lampade da 18 W attualmente ampiamente prodotte. Da tenere presente inoltre che con l'alimentatore elettronico le lampade con filamenti guasti vengono accese e bruciate (in questo caso i filamenti della lampada devono essere cortocircuitati). Un reattore normalmente funzionante lungo un circuito da 190 V dovrebbe consumare una corrente di 0,2 - 0,21 A (la misurazione può essere eseguita tra due schede della struttura). L'illuminatore ultimato ha attualmente funzionato per 5 mesi, fornisce un'illuminazione superiore a quella di una lampada a incandescenza da 100 W, si accende senza sbalzi di corrente, l'accensione delle lampade avviene quasi istantaneamente e, cosa particolarmente importante, si nota molto meno affaticamento degli occhi durante il lavoro con la letteratura. Autore: D.P. Afanasiev
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