Регуляторы яркости компактных люминесцентных ламп, и не только…

Автор предлагает несколько вариантов регуляторов яркости для компактных люминесцентных ламп, регулирующий элемент в которых — мощный полевой транзистор.

Компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) — газоразрядный источник света, в котором электрический раз­ряд в стеклянной трубке (колбе) в па­рах ртути или её соединений создаёт ультрафиолетовое излучение, преобра­зуемое в видимый свет с помощью нанесённого на внутренние стенки трубки люминофора. Компактной её называют потому, что, в отличие от линейных люминесцентных ламп, трубка сделана П-образной или свёрнута в спираль.

Схема одного из вариантов КЛЛ по­казана на рис. 1 (нумерация элементов приведена в соответствии с обозна­чениями на печатной плате). Она со­держит газоразрядный источник света ЕL1 и электронный пуско-регулирую­щий аппарат (ЭПРА). В его состав вхо­дят выпрямитель на диодах D1—D4 со сглаживающим конденсатором С1, высокочастотный генератор на транзи­сторах Q1, Q2 и цепь запуска и огра­ничения тока: ЯС-генератор на динисторе DB3, дроссель L3, конденсатор С6, терморезистор РТС. Дроссель L3 служит токоограничивающим элемен­том. Генератор питается постоянным напряжением около 300 В, поскольку до него заряжается сглаживающий конденсатор С1. Формы (условно) на­пряжения на выходе выпрямителя КЛЛ и потребляемого ею от сети тока пока­заны на рис. 2.

Большинство регуляторов мощности (яркости) — фазоимпульсные. Ключе­вым элементом в них является тринистор (симистор), на управляющий вход которого в определённый момент по­ступает открывающий импульс. Дли­тельность этого импульса из соображе­ний экономичности, как правило, неве­лика. Чтобы тринистор оставался в открытом состоянии, через него дол­жен протекать определённый ток, назы­ваемый током удержания. В случае с лампой накаливания, паяльником или другим нагревательным прибором ток через них протекает всё время, пока тринистор включен. Когда ток становится малым при приближении сетевого напряжения к нулю, тринистор закрыва­ется. Для его открывания в следующий полулериод сетевого напряжения по­требуется очередной импульс от узла управления. Изменяя время появления импульса относительно начала каждого полупериода сетевого напряжения, можно изменять среднее напряжение на нагрузке. В результате регулируется яркость лампы накаливания (или тем­пература паяльника).

Если нагрузка такого регулятор« — КЛЛ, ситуация изменяется. Дело в том, что КЛЛ потребляет ток, когда напряжение сети превышает напряжение на сглаживающем конденсаторе ЭПРА. Если в регуляторе открывающий им­пульс поступит на тринистор в момент, когда это условие не выполняется, он не откроется, поскольку нет условий для протекания тока. Именно поэтому фазоимпульсные регуляторы яркости работают с КЛЛ неустойчиво или не работают вообще.

Хотя КЛЛ существенно экономичнее лампы накаливания, но всё же иногда требуется уменьшить яркость её свече­ния. Как отмечено выше, широко рас­пространённые тринисторные регулято­ры яркости, как автономные, так и встро­енные в светильники, не рекомендуется применять совместно с КЛЛ. Поэтому для последних потребуется специализи­рованный регулятор, кроме того, суще­ствуют КЛЛ, работающие с подобным регулятором. Но возникают сомнения, а можно ли регулировать яркость обычной КЛЛ? На этот вопрос ответ утвердитель­ный. Только регулировать яркость можно изменением тока через газоразрядную трубку или длительностью импульсов тока. После возникновения разряда КЛЛ начинает светить, её яркость зависит от тока, протекающего через лампу, при этом напряжение на ней изменяется в относительно небольших пределах. По­скольку часть напряжения падает на эле­ментах ЭПРА, изменяя напряжение питания КЛЛ, можно изменять ток через газоразрядную трубку, т. е. яркость ее свечения. Существует противоречивая информация о том, как влияет на срок службы КЛЛ уменьшение напряжения питания.

В статье В. В Черепанова, А. В. Коротаева (Энергосовет, 2011, №3(16), С. 65—68) “Исследование характеристик компактных люминесцентных ламп” приведено иссле­дование зависимости освещённости рабочего места от напряжения питания для КЛП различной мощнос­ти и разных производителей. Эти зависимости показаны на рис. 3. Из них следует, что интервал регулировки яркости у КЛЛ гораздо мень­ше, чем у лампы накалива­ния, поскольку снизу он ограничен напряжением, при котором КЛЛ уже не работа­ет. Но всё же регулировка вполне возможна, хотя и в меньших пределах, чем у ламп накаливания. При этом интервал регулировки боль­ше у более мощных КЛЛ.

Поскольку для КЛЛ тиристорные ре­гуляторы не совсем подходят, предла­гается сделать регулятор с коммути­рующим элементом на полевом транзи­сторе, который закрывается, когда се­тевое напряжение превысит некоторое пороговое значение. Принцип работы такого регулятора поясняет рис. 4. В начале каждого полупериода сетевое напряжение поступает на нагрузку. Когда напряжение превысит U_пор, тран­зистор закроется и нагрузка окажется обесточена. Он откроется вновь, когда сетевое напряжение станет меньше U_пор. В данном случае при уменьшении напряжения на нагрузке максимум по­требляемого тока не совпадает с мак­симумом напряжения. При изменении сетевого напряжения от U₁, до U₂ изме­нится только время выключения и вклю­чения полевого транзистора, а макси­мальное напряжение на нагрузке оста­нется неизменным Для нагрузки, в состав которой входит выпрямитель со сглаживающим фильтром (как КЛЛ), это означает, что питающее напряжение окажется стабилизированным, а это может быть важным фактором.

Схема одного из вариантов такого регулятора показана на рис. 5. Чтобы его упростить, сетевое напряжение предварительно выпрямляется. Для КЛЛ, ламп накаливания или нагрева­тельных приборов это не имеет принципиального значения. Сетевое напряжение выпрямляет диодный мост VD1—VD4, На элементах R1, С2 и VD5 собран параметрический ста­билизатор напряжения для питания ОУ DA1, на котором собран компара­тор напряжения. Положительную об­ратную связь обеспечивает резистор R8, а гистерезис задаёт резистор R5. На неинвертирующий вход ОУ посту­пает постоянное напряжение с ре­зистивного делителя R2R3. Конден­сатор С3 дополнительно сглаживает пульсации. На инвертирующий вход ОУ поступает пульсирующее напря­жение с выхода резистивного дели­теля R4R6R7, подключённого к выпрямителю. Переменным ре­зистором R6 устанавливают пороговое напряжение. Диод VD6 защищает этот вход от недопустимо большого на­пряжения, превышающего на­пряженно питания ОУ. Элект­ронный ключ собран на поле­вом транзисторе VT1. Стаби­литрон VD7 защищает его зат­вор от бросков напряжения. На элементах С1 и L1 собран по­мехоподавляющий LC-фильтр. Диод VD8 устраняет влияние КЛЛ на регулятор, если в ней перед выпрямителем установлен помехопо­давляющий LC-фильтр.

Когда напряжение сети меньше по­рогового, на инвертирующем входе ОУ DА1 напряжение меньше, чем на неин­вертирующем, поэтому на выходе ОУ напряжение близко к его напряжению питания. Полевой транзистор открыт, напряжение поступает на нагрузку Если к регулятору подключена КЛЛ, сглажи­вающий конденсатор на выходе её выпрямителя (С1 на рис. 1) заряжается до напряжения U_пор. Работу регулятора для этого случая поясняет рис. 6. Если пороговое напряжение U_п1 будет больше амплитуды сетевого напряжения, полевой транзистор ока­жется всё время открытым и КЛЛ работает с максимальной яркостью. Формы напряжения на сглаживающем конденсаторе ЭПРА КЛЛ и по­требляемого ею тока для этого случая показаны красным цветом. Если уста­новить пороговое напряжение U_пор меньше сетевого, регулятор начинает работать. Поэтому сглаживающий конденсатор в ЭПРА КЛЛ будет заря­жаться только до этого напряжения, а значит, яркость её свечения умень­шится. Формы напряжения и тока для этого случая показаны синим цветом. Переменным резистором R6 можно изменять напряжение питания КЛЛ и ее яркость свечения.

Следует ещё раз отметить, что в этом случае, даже если напряжение сети изменится, на КЛЛ будет посту­пать пульсирующее напряжение с тем же максимальным значением, т. е. регу­лятор обеспечит стабилизацию напря­жения на нагрузке и яркость свечения лампы.

Если сравнить формы напряжения и тока для разных пороговых напряже­ний, видно, что когда регулятор начнёт уменьшать напряжение на нагрузке, частота импульсов тока становится в два раза больше, а их длительность уменьшается, поскольку в течение од­ного полупериода ток через КЛЛ проте­кает дважды. Поэтому частота пульса­ций на выходе выпрямителя ЭПРА КЛЛ увеличится, а их амплитуда уменьшит­ся. Это приведёт к тому, что пульсации яркости КЛЛ уменьшатся и станут ме­нее заметными.

Здесь следует немного пояснить, о чём идёт речь. Поскольку автогенератор в ЭПРА КЛЛ работает на частоте не­сколько десятков килогерц, многие по­требители думают, а производители утверждают, что у КЛЛ пульсации яркос­ти практически отсутствуют. Но ведь на выходе выпрямителя КЛЛ есть пульса­ции выпрямленного напряжения, амп­литуда которых зависит от ёмкости сглаживающего конденсатора (С1 на рис. 1) и напрямую влияет на пульсацию яркости. Не совсем добросовестные производители “экономят” на ёмкости этих конденсаторов, именно поэтому пуль­сации яркости свече­ния КЛЛ могут быть сравнимы и даже превосходить пуль­сации яркости лампы накаливания.

Поскольку дли­тельность импульсов тока уменьшается, увеличиваются соз­даваемые помехи. Именно для их по­давления предна­значен фильтр C1L1. Конечно, такой регу­лятор подойдет и для регулировки яркости ламп наливания или нагревательных при­боров.

Большинство эле­ментов собранного макета размещены на односторонней пе­чатной плате из стек­лотекстолита толщи­ной 1,5…2 мм, её чертёж показан на рис. 7. Применены постоянные резисто­ры С2-23, МЛТ. Р1-4 и импортные, перемен­ный — СП4-1, оксид­ные конденсаторы — импортные, осталь­ные — пленочные, дроссель — серии RLB0608 или анало­гичный индуктивно­стью 47…220 мкГн, рассчитанный на ток, потребляемый на­грузкой. Светодиод — маломощный любого цвета свечения с диаметром корпуса 3…5 мм. Стабилитро­ны можно применить любые маломощные на напряжение ста­билизации 12…14 В. Замена транзистора IRFBC40 — IRF840. Разъём Х1 — клеммник винтовой с шагом выводов 7,5 мм, рассчитанный для ус­тановки в отверстия печатной платы.

Внешний вид смонтированной пла­ты показан на рис. 8 (вместо свето­диода установлена перемычка). Её по­мещают в пластмассовый корпус, руч­ка переменного резистора должна быть из изоляционного материала. Налаживание сводится к подборке ре­зисторов R4 и R7 для получения тре­буемого интервала регулировки выход­ного напряжения.

Схему регулятора можно упростить, если в качестве порогового элемента применить логический элемент на ос­нове триггера Шмитта, например, мик­росхему К561ТЛ1. Такой элемент обес­печит быстрое включение—выключе­ние ключевого элемента, но имеет гис­терезис Схема такого регулятора по­казана на рис. 9. Помехоподавляющий фильтр собран на элементах С1, С2 и L1. напряжение питания микросхемы стабилизирует параметрический ста­билизатор напряжения на стабилитро­не VD5 и гасящем резисторе R6, Све­тодиод HL1 индицирует наличие сете­вого напряжения. Защитного диода на входе (вывод 2) элемента DD1.1 нет, поскольку цепи защиты встроены в микросхему, а входной ток ограничен резисторами R2 и R3 Резистор ог­раничивает бросок тока при включении регулятора. Выходное напряжение ре­гулируют переменным резистором R4.

Работает этот регулятор аналогично, но имеет одну особенность. Дело в том, что из-за большого гистерезиса тригге­ра Шмитта включение и выключение транзистора VТ1 происходит при раз­личных значениях сетевого напряжения. Это означает, что в первой половине каждого полупериода сетевого напря­жения амплитуда поступающего на нагрузку напряжения будет больше, чем во второй. Это не имеет значения для нагревательных приборов, но не для КЛЛ. Если сглаживающий конденсатор в ЭПРА КЛЛ не успеет разрядиться, импульса тока во второй половине полу­волны сетевого напряжения может и не быть. В этом случае амплитуда тока в первой половине возрастёт, поскольку сглаживающий конденсатор в КЛЛ успе­ет разрядиться сильнее. На работу КЛЛ это не повлияет, но уменьшит помехи, создаваемые регулятором.

Плата упрощённого варианта, чертёж которой показан на рис. 10, рассчитана для установки в корпус от трансформа­торного блока питания (адаптера) раз­мерами 50x55x80 мм (без выступающих элементов) с сетевой вилкой. Плата ус­тановлена на крышке корпуса, а ось пе­ременного резистора выходит с другой стороны. Применены в основном ана­логичные детали, для повышения безо­пасности применен переменный резис­тор серии PC-16S с пластмассовыми корпусом и осью Транзистор IRF840 можно заменить транзистором IRF710, IRFBC40. Выключатель питания — движ­ковый KBB70-2P2W, но можно приме­нить переменный резистор, совмещен­ный с выключателем, рассчитанным для работы при напряжении сети. Налажи­вание сводится к установке интервала регулировки выходного напряжения подборкой резисторов R2, R3. R5.

На свободной стороне корпуса ус­тановлены гнёзда XS1. Выключатель смонтирован на корпусе регулятора, резистор установлен между вилкой и платой. Внешний вид смонтирован­ной платы показан на рис. 11.

Ещё больше упростить регулятор можно, если исключить стабилизатор напряжения питания порогового элемен­та. Схема такого варианта регулятора показана на рис. 12. На элементах С1. L1. L2 и С2 собран помехоподавляющий фильтр, на диодах VD1 —VD4 — мостовой выпрямитель. На диоде VD5, резисторах R2, R3 и конденсаторе С3 собран источ­ник питания затворной цепи полевого транзистора VT1. Диод VD5 исключает разрядку конденсатора С3 через цепи регулятора и КЛЛ, стабилитрон VD6 ограничивает напряже­ние на затворе поле­вого транзистора. Диод VD7 устраняет влияние КЛЛ на ра­боту регулятора, ес­ли у неё на входе (до выпрямителя) уста­новлен помехоподав­ляющий LC-фильтр.

В качестве порого­вого устройства при­менена микросхема параллельного стаби­лизатора напряжения серии TL431 (DA1). Её особенность состоит в том, что при напря­жении на управляю­щем входе (вывод 1) менее 2,5 В ток через неё не превышает 0.3-0.4 мА, Когда напряжение превысит указанное значение, ток через микросхе­му резко возрастёт.

В начале каждого полупериода сете­вого напряжения на управляющем входе микросхемы DA1 напряжение — ме­нее 2,5 В, ток через микросхему DA1 мал, поэтому напряжение с конденсато­ра С3 поступает на затвор открытого транзистора VT1. В этом случае сетевое напряжение поступает на КЛЛ. Если на­пряжение на движке резистора не пре­высит 2,5 В (что соответствует, напри­мер, напряжению U_п1 на рис 6), полевой транзистор будет всегда открыт (напря­жение затвор—исток – 13 В) и на нагрузку поступает всё сетевое напряже­ние. Когда напряжение на движке резис­тора R7 превысит 2,5 В (например, если установлено U_п2), ток через микросхему возрастёт, а напряжение на затворе транзистора уменьшится до 2 В. В ре­зультате полевой транзистор закроется и на нагрузку поступит напряжение U_п2 в течение только части сетевого полупериода Поскольку напряжение на затворе полевого транзистора ограничено стабилитроном VD6, а ток через резис­тор R4 ограничен резисторами R2 и R3, напряжение на конденсаторе С3 не пре­высит 25…30 В.

По сравнению с предыдущей кон­струкцией весь регулятор удалось раз­местить в корпусе меньшего размера (40x42x57 мм). Поэтому элементы раз­мещены на двух платах Чертёж основ­ной показан на рис. 13, а дополнитель­ной, на которой установлен фильтр, — на рис. 14.

Платы приклеены внутри корпуса (рис. 15), на его стенках уста­новлены выключатель SA1, переменный резистор R7 и гнездо ХS1. Резистор R1 установлен на выводах выключателя и вилки ХS1 и на рис. 15 не виден. Все со­единения проведены проводом МГТФ.

В устройстве применены в основном такие же элементы, что и в предыдущей конструкции. Поскольку регулятор пла­нировалось использовать совместно с КЛЛ, были применены менее мощные дроссели (от ЭПРА КЛЛ). Внешний вид регулятора показан на рис. 16.

Предлагаемый регулятор можно применить для регулировки напряже­ния ламп накаливания и нагреватель­ных приборов, например паяльников. Их мощность ограничена параметрами применённых выпрямительных дио­дов, дросселей и допустимого тока транзистора. Для предложенных регу­ляторов мощность нагрузки не должна превышать 100…150 Вт. Для увеличе­ния мощности потребуется применить более сильноточные диоды, более мощный дроссель, а транзистор необ­ходимо установить на теплоотвод.

По сравнению с тринисторными регуляторами яркости, где частота им­пульсов тока через нагрузку — 100 Гц. В предлагаемых она может быть вдвое больше. Поэтому и пульсации яркости меньше. Кроме того, если с помощью регулятора напряжение на нагрузке уменьшено, максимум тока не совпада­ет с максимумом напряжения. В этом случае “верхушка синусиоды” не будет “срезана” и её форма в сети должна улучшиться.

Такой регулятор можно применить и с любой маломощной активной нагруз­кой. Нижний предел регулируемой мощности на ней зависит от тока утечки закрытого полевого транзистора.

Автор: В. НЕЧАЄВ, р. Москва
Джерело: Радио №4/2017