Микросхемы драйверов для электронных балластов люминесцентных ламп

Люминесцентные лампы, которые по старой привычке называют «лампами дневного света» (ЛДС), широко применяются более полувека, но только в последние 15-20 лет в схемах их управления (балластах) начали массово применять специализированные микросхемы (МС). Некоторые радиолюбители используют эти МС в своих конструкциях «не по назначению». Например, в Интернете можно найти множество описаний миниатюрного индукционного паяльника на МС типа IR2153.

Об особенностях, схемах включения, корпусах и цоколевке или, как теперь говорят, распиновке наиболее распространенных микросхем драйверов для электронных балластов люминесцентных ламп пойдет речь в данной статье.

С момента изобретения люминесцентной лампы на протяжении десятилетий для ее поджига и поддержания устойчивого свечения в основном использовали стартер и дроссель в качестве балласта. Первый бросающийся в глаза недостаток этого балласта – большие габариты и вес дросселя. Упрощенная (типовая) схема такого включения люминесцентной показана на рис.1.Объяснять работу этой схемы не будем. Все это можно найти в школьном учебнике физики. Единственное, что нужно вспомнить, — это назначение стартера. Стартер необходим для того, чтобы обеспечить два условия для поджига лампы в момент включения, пока она холодная и в ее баллоне практически нет свободных носителей заряда:

• Получение тока через нити нала лампы;
• Накопление энергии в сердечнике дросселя за счет протекания этого тока через дроссель.

В установившимся режиме дроссель-балласт ограничивает ток и напряжение на лампе. Долговечность люминесцентной лампы зависит не только от качества самой лампы, но и от качества стартера и правильно подобранной индуктивности дросселя. Лампа будет работать заметно меньше при недостаточной индуктивности дросселя, а также в том случае, если при включении она несколько раз «моргает», а включают лампу с этим дефектом достаточно часто. В технической литературе этот дефект называют по-спортивному: «фальстарт». Еще один недостаток такого включения люминесцентной лампы – это помаргивание с частотой 100 Гц («мерцание»). Большинство людей его не замечают, а оно повышает утомляемость нашего зрения.

Электронные балласты «заставляют» работать люминесцентные лампы на значительно более высоких частотах, при которых не происходит деионизации газа в баллоне, так как этот процесс имеет инерционность. Это значит, что лампа с электронным балластом работает без мерцаний.

До последнего времени схема включения люминесцентной лампы (рис.1) и ей подобные имели одно достоинство – небольшую себестоимость. Так как цены на специализированные микросхемы для электронных балластов снижаются, а себестоимость моточных изделий возрастает, то говорить о перспективности применения низкочастотных дросселей в качестве балласта не приходится. Справедливости ради, следует отметить, что даже самый современный электронный балласт не обходится без балластного дросселя. Правда, это высокочастотный балласт, рассчитанный на рабочие частоты приблизительно 12…50 кГц и выше, а это значит, что индуктивность, габариты и цена такого дросселя невелики.

Первые схемы электронных балластов представляли собой импульсные преобразователи напряжения, построенные на блокинг-генераторах.

Эти схемы для нас неинтересны, так как тоже уходят в прошлое.

Одним из первых и самым, пожалуй, популярным производителем микросхем (МС) для электронных балластов является фирма InternationalRectifier. Есть и другие производители, такие, как Unitrode, ST-Microelectronics (старое название SGS-THOMSONMicroelectronics) и Motorola. Первое поколение микросхем, широко применяемых в электронных балластах, — это серия шестивыводных микросхем IR2151 – IR2155 фирмы InternationalRectifier и их аналоги L6569, L6571 (ST-Microelectronics) И МС2151 (Motorola). Эти микросхемы рассчитаны на управление полумостовой схемой на высоковольтных МДП-транзисторах с n-каналом. Например, IRF720 или IRF730.

Наиболее распространены МС драйверов для электронных балластов IR2151 – IR2155 и их функциональные аналоги L6569, L6571 и МС2151.

Функциональная схема МС IR2151 – IR2155 показана на рис.2.

Левая часть микросхемы (по функциональной схеме) представляет собой генератор – полный аналог популярного таймера 555, который известен отечественным специалистам как микросхема КР1006ВИ1, а правая – это и есть драйвер управления высоковольтным МДП-транзистором.

Эти МС изготавливаются в корпусах PDIP-8 и SO8 (SOIC-8). Обозначение и название выводов этих микросхем приведено в табл.1

Принципиальная схема балласта на микросхемах IR2151 – IR2155 и их аналогах показана на рис.3.Назначение деталей этой схемы следующее:

• C1L1C2 – цепь помехозащиты;
• D1-D4 – мостовой диодный выпрямитель;
• R1 – резистор, ограничивающий ток моста в момент поджига лампы;
• С3 – накопительный конденсатор фильтра питания;
• C4R2 – фильтр низковольтного напряжения питания;
• R3C5 – времязадающая цепь;
• R4, R5 – ограничивающие резисторы в цепи затворов выходных транзисторов;
• D5C6 – цепь вольтодобавки (бустрепная цепь);
• R6C8 – RC-цепь (snubber – демпфирующая цепь), увеличивающая время переключения, за счет чего происходит защита от «защелкивания», т.е. от срабатывания паразитного тиристора, который образуется в МДП-структурах при изготовлении;
• С7 – разделительный конденсатор;
• L2 – дроссель высокочастотного балласта;
• С9 и позистор RV1 – схема поджига (вместо стартера).

Вспомним, что транзисторы в двухтактной схеме работают поочередно. Причем если один транзистор открыт, то другой должен быть заперт. В противном случае, когда оба транзистора откроются одновременно, они будут пробиты, так называемым сквозным током. Для предотвращения этого явления в МС предусмотрена специальная задержка открывающих сигналов на затворах выходных транзисторов на 1,25 мкс. Эта задержка в англоязычной литературе называется DEAD TIME.

Разберемся как работает цепь «вольтодобавки» (бустрепная цепь). Когда верхний транзистор Q1 (рис.3) заперт, а нижний Q2 открыт, конденсатор «вольтодобавки» С6 заряжается через диод D5 от источника VCC. Когда транзистор Q1 откроется, а нижний Q2 закроется, то верхний драйвер микросхемы будет питаться повышенным напряжением с конденсатора С6.

Следует заметить, что микросхемы L6569, IR2153D и IR21531Dимеют встроенный внутрь бустрепный диод.

Усовершенствованные микросхемы драйверов для электронных балластов

Микросхемы IR2151, IR2152 и их аналоги считаются несколько устаревшими. Производитель рекомендует применять IR2153 (IR21531) и IR2154 (IR21541) вместо IR2151 и IR2152. Есть и более интересные решения.

Было бы логично объединить в одной микросхеме драйвер IR2151 или ему подобный с выходными высоковольтными МДП-транзисторами. Это сделано в гибридных микросхемах серии IR51хххх. В этой серии несколько микросхем: IR51H214, IR51H224, IR51H737, IR51H320, IR51H420.

Первые три микросхемы малоинтересны отечественному специалисту, так как они рассчитаны на работу от сети 110 В. Основные параметры остальных МС приведены в табл.2.Микросхемы серии IR51хххх изготавливаются в пластиковом девятиштырьковом корпусе с выводами с одной стороны SIP-9, в котором не установлены выводы 5 и 8.

Сокращенное обозначение и назначение МС этой серии сгруппировано в табл.3, принципиальная схема электронного балласта на одной из этих микросхем показана на рис.4, а назначение и номиналы деталей этой схемы для люминесцентных ламп разной мощности в табл.4.Заметим, что демпфирующая цепь R4C7, показана на схеме рис.4 пунктиром, может не устанавливаться.

Через диоды D6, D7, включенные встречно-параллельно и соединенные последовательно с дросселем L1, протекает ток люминесцентной лампы, который создает на этих диодах, как на стабисторах, ограниченное по амплитуде переменное падение напряжения. Оно приложено через С6 к выводу 3 микросхемы, что синхронизирует работу внутреннего генератора микросхемы в разных режимах, частота и фаза его, в некоторой степени, определяется параметрами контура C5L1. Это повышает надежность зажигания лампы и стабильность ее работы в разных режимах, а также при старении лампы и позволяет устанавливать в схему детали с большим разбросом номиналов. Все это позволяет создавать на базе микросхем серии IR51хххх надежные малогабаритные электронные балласты для питания люминесцентных ламп.

Следует отметить, что микросхемы IR51HDxxx имеют встроенный внутрь бустрепный диод. При применении этих микросхем диод D5 можно не устанавливать.

Кроме того, фирма InternationalRectifier производит микросхемы серии IR53хххх, которые рекомендуются для установки в новые изделия вместо IR51хххх. Микросхемы этой серии содержат в себе драйвер типа IR2153 с выходным полумостом на высоковольтных МДП-транзисторах.

Другое направление развития микросхем для электронных балластов – это улучшение качественных показателей и долговечности работы люминесцентных ламп.

Электронные балласты, как и импульсные источники питания, создают в питающей сети повышенный уровень высокочастотных помех. Поскольку стандарты МЭК IEC 555-2 и более поздний IEC 1000-3-2 жестко регламентируют уровень высших гармоник потребляемого тока из сети, разработчик вынужден применять специальные меры для его уменьшения. Простейшая из них хорошо известна – это использование помехозащищающих цепей на сетевом входе (рис.3). В некоторых случаях для выполнения требований стандарта IEC 1000-3-2 применяют специальное устройство, которое называют корректором коэффициента мощности (PFC – powerfactorcorrection).

Корректор коэффициента мощности устанавливают между выходом выпрямительного моста и накопительным конденсатором на входе фильтра питания. Наличие хорошего активного корректора и сетевого фильтра может обеспечить повышение коэффициента мощности со значения 0,6-0,7 практически до единицы.

Для большинства применений электронный балласт выдает в нагрузку постоянную мощность, но существуют балласты с управляемой выходной мощностью на лампе. Их называют диммерами, а сам процесс изменения мощности люминесцентной лампы диммингом. Об этом во второй части статьи.

Источник: Радиоаматор №6, 2014
Автор: Игорь Безверхний, г. Киев.