Reator eletrônico no chip UBA2021. Esquema, descrição

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Considere um reator eletrônico implementado em um microcircuito UBA2021. O diagrama esquemático do reator eletrônico para uma lâmpada fluorescente com potência de 58 W é mostrado na fig. 3.31.

O "coração" do reator eletrônico é o chip UBA2021. Este IC especializado é projetado para funcionar com lâmpadas fluorescentes convencionais e compactas. O UBA2021 inclui um driver de alta tensão com circuito de disparo, um gerador e um temporizador que fornecem controle durante as etapas de partida, aquecimento, ignição e queima da lâmpada, além de proteção contra o modo capacitivo.

O IC suporta tensões de até 390 V e picos de tensão de curto prazo (t < 0,5 s) de até 570-600 V. A tensão de alimentação de baixa tensão é fixada internamente, o que elimina a necessidade de instalar um diodo zener externo. A fixação é realizada em correntes de até 14 mA com rajadas de curto prazo (t < 0,5 s) de até 35 mA. O diagrama de blocos do UBA2021 é mostrado na fig. 3.32.

O microcircuito é feito em uma caixa de plástico com 14 pinos (DIP-14 ou SO-14). Atribuição de pinos do chip UBA2021 é dado na tabela. 3.5.

Tabela 3.5. Atribuição de pinos do chip UBA2021

Reator eletrônico no chip UBA2021

Arroz. 3.31. Esquema de reator eletrônico no chip UBA2021 (clique para ampliar)

Reator eletrônico no chip UBA2021
Arroz. 3.32. Diagrama estrutural do chip UBA2021

O reator eletrônico é operável na faixa de tensão de rede de 185-265 V a uma frequência de 50-60 Hz. O controle automático mantém a potência de queima da lâmpada dentro de 47,6-50,3 W quando a tensão da rede muda dentro de 200-260 V. O UBA2021 controla a operação de poderosos MOSFETs PHX3N50E, que são as chaves de um inversor de meia ponte, que é alimentado pela rede elétrica com uma tensão nominal de 23 In i1 com uma frequência de 50-60 Hz. Isso fornece a mudança necessária nos níveis de potência dos transistores de efeito de campo, o que fornece proteção contra operação capacitiva.

As principais vantagens deste produto são um pequeno número de componentes externos e baixo custo devido ao uso do UBA2021 IC, que é capaz de fornecer flexibilidade máxima de design com um número mínimo de elementos periféricos.

Considere a operação do esquema em mais detalhes. A tensão de rede CA é convertida por um retificador de ponte de quatro diodos (ou ponte de diodos) e um capacitor de suavização em uma tensão CC (310 V) que alimenta o inversor de meia ponte. O filtro principal de supressão de ruído impede a penetração de interferência na rede.

O inversor de meia ponte pertence a um grupo de conversores de tensão ressonante de alta frequência, que são convenientes para acionar lâmpadas de descarga de gás. O princípio aplicado de comutação de tensão zero de dois MOSFETs poderosos permite reduzir suas perdas de comutação e garante alta eficiência do reator.

Depois que a tensão de rede é aplicada, a lâmpada fluorescente é pré-aquecida. Isso é chamado de partida suave e garante uma operação confiável e durável da lâmpada. O valor da corrente de aquecimento é regulado pelo chip UBA2021. Essa corrente que passa pelos filamentos da lâmpada aquece os eletrodos da lâmpada a uma temperatura suficiente para emitir elétrons. O aquecimento reduz a tensão de ignição da lâmpada, o que reduz as cargas elétricas de choque nos elementos do circuito.

Após ligar, a tensão de rede retificada é fornecida ao capacitor buffer C4 através do resistor R1 (Fig. 3.31), que limita o surto de corrente. O capacitor suaviza as ondulações de tensão no dobro da frequência da rede. A tensão de alta tensão resultante VHV (310 V) DC é a fonte de alimentação para um inversor de meia ponte, cujos componentes de energia incluem os transistores VT1, VT2, bobina L1, capacitores C5, C6, C7 e uma lâmpada EL1.

Na fase de inicialização, a corrente do capacitor de alta tensão C4 passa pelo resistor R2, filamento da lâmpada, resistor R7, terminais 13 e 5 do chip UBA2021, conectados entre si durante o período de inicialização por uma chave interna, e carrega os capacitores de potência de baixa tensão C9, C11 e C13. Assim que a tensão de alimentação VS em C13 atinge um valor de 5,5 V, o UBA2021 comuta, resultando na abertura do transistor VT2 e no fechamento do transistor VT1.

Isso permite que o capacitor de partida C12 seja carregado através do circuito interno do microcircuito. A tensão de alimentação VS continua a aumentar e, em VS > 12 V, o oscilador interno do microcircuito começa a gerar. O consumo de corrente do IC é fixado internamente em cerca de 14 mA.

Em seguida vem a transição para estágio de aquecimento. Na ausência de lâmpada, a partida é bloqueada automaticamente, pois nesse caso o circuito de carga do capacitor de partida está interrompido.

No estágio de aquecimento, os MOSFETs VT1 e VT2 são transferidos alternadamente para um estado de condução. Isso gera uma tensão CA de onda quadrada no ponto médio da meia-ponte com uma amplitude de VHV. A frequência de oscilação inicial é de 98 kHz. Nessas condições, o circuito, formado por C8, VD5, VD6, C9 e SU, é capaz de desempenhar a função de fonte de alimentação de baixa tensão, que durante a inicialização foi fornecida pela corrente através do pino 13 do CI.

Durante um intervalo de tempo aproximadamente igual a 1,8 s (tempo de aquecimento t_ARTE), cuja duração é determinada pelos valores de C16 e R8, o sistema está em modo de aquecimento. Ao mesmo tempo, uma corrente controlada* passa pelos filamentos da lâmpada, o que permite o aquecimento ideal de ambos os eletrodos da lâmpada. Os eletrodos aquecidos emitem (emitem) um grande número de elétrons para a lâmpada e, nesse estado, são necessárias tensões muito mais baixas para acendê-la, o que minimiza as cargas elétricas de choque nos elementos do circuito e na lâmpada no momento da ignição. O aquecimento dos eletrodos é muito importante para garantir uma longa vida útil da lâmpada (cerca de 20 mil horas).

Após o início da geração, uma pequena corrente alternada começa a fluir do ponto médio da meia-ponte através dos filamentos da lâmpada, L1 e C7. A frequência de oscilação diminui gradualmente, o que leva a um aumento correspondente na magnitude da corrente. A taxa de redução de frequência é determinada pela capacitância do capacitor C14 e pela fonte de corrente interna do IC. A frequência para de cair assim que um determinado valor da tensão CA é atingido nos resistores R5 e R6, que são sensores de corrente de aquecimento.

Durante toda a fase de aquecimento, a frequência do inversor meia-ponte permanece acima da frequência de ressonância do circuito L1C7 (55,6 kHz), e por isso a tensão em C7 ainda é pequena para acender a lâmpada.

Conselho. É muito importante manter esta tensão suficientemente baixa, porque a ignição prematura, chamada de frio, leva ao desgaste rápido dos eletrodos da lâmpada.

O valor da indutância da bobina de lastro L1 é determinado pela corrente necessária através da lâmpada, a capacitância do capacitor de ignição C7 e a frequência de operação no modo de combustão. A capacitância mínima C7 é determinada pela indutância L1, a tensão na lâmpada, que não leva à ignição, a uma determinada corrente de aquecimento e a tensão mínima da rede. Como resultado, o valor da capacitância C7, igual a 8,2 nF, é ideal para aquecimento.

Após o final da fase de aquecimento, o UBA2021 retoma a redução adicional da frequência de comutação de meia ponte para a frequência mais baixa fb (39 kHz). No entanto, agora a redução da frequência é realizada muito mais lentamente do que no estágio de aquecimento. A frequência de comutação é deslocada para a frequência ressonante de um circuito em série que consiste na indutância L1 e na capacitância total do capacitor C7 e nos eletrodos da lâmpada (55,6 kHz), e as resistências dos capacitores de bloqueio de CC C5 e C6 são bem pequenas .

O valor máximo da tensão de ignição no pior caso (quando tanto a luminária quanto o circuito do reator eletrônico estão conectados ao terra de proteção da rede) para uma lâmpada TL-D 58W em baixas temperaturas é de aproximadamente 600 V.

A combinação do indutor de lastro L1 e do capacitor de ignição C7 é selecionada de forma que a tensão na lâmpada possa exceder esses 600 V necessários para uma ignição confiável. O valor da tensão de ignição determina o valor máximo da capacitância C7 para uma determinada indutância L1 , selecionado com base na frequência mais baixa fv UBA2021. A frequência mais baixa fv é definida pelos valores R8, C15. A duração máxima possível da fase de ignição t_IGN é 1,7 s (é 15/16 de t_ARTE); é definido selecionando C16 e R8.

Suponhamos que a lâmpada seja acesa durante a redução da frequência; então a frequência diminui para o valor mínimo /v. UBA2021 pode fazer a transição para a fase de combustão dois caminhos:

quando a frequência cai para f_в;
se a frequência f_в não alcançado, mas a transição ocorre após a duração máxima possível do estágio de ignição t_IGN.

Durante a fase de combustão, a frequência de oscilação no circuito é geralmente reduzida para f_в (39 kHz), que pode ser usada como frequência operacional nominal. No entanto, devido ao uso de controle automático em reatores eletrônicos, a frequência de oscilação depende da quantidade de corrente que passa pelo pino 13 (pino RHV) do IC UBA2021. O controle automático começa a funcionar depois de atingir f_в. O controle automático estabiliza amplamente o fluxo luminoso emitido pela lâmpada em uma ampla gama de variações de tensão de rede.

Durante a fase de inicialização, os capacitores de alimentação de baixa tensão C9, C10 e C13 são carregados pela corrente que flui do capacitor de alta tensão C4 por R2, pelo filamento da lâmpada R7 e pelos terminais 13 e 5 conectados internamente do UBA2021.

No estágio de combustão, ocorre uma reativação. Em vez do pino 5, o pino 13 acaba sendo conectado ao pino 8. Agora, a corrente que flui pelos resistores R2 e R7 é usada como um parâmetro de informação no sistema de controle automático da frequência de comutação do inversor de potência, uma vez que a força dessa corrente é proporcional a o nível da tensão de rede retificada. Ripple com o dobro da frequência da rede (100-120 Hz) é filtrado pelo capacitor C16. Como resultado, o fluxo luminoso emitido pela lâmpada permanece quase constante quando a tensão de rede muda na faixa de 200 a 260 V.

Em frequências acima de 10 kHz, a lâmpada pode ser considerada uma carga resistiva. A saída de luz das lâmpadas tubulares excitadas em frequências acima de 10 kHz é significativamente melhor do que quando são alimentadas a uma frequência de 50-60 Hz. Isso significa que uma lâmpada TL-D 58W com fonte de alimentação de alta frequência de 50W emite o mesmo fluxo luminoso que uma lâmpada TL-D 58W com fonte de alimentação de 58W a uma frequência de 50-60 Hz. O ponto de operação em estado estacionário para um TL-D 58W conectado ao reator é caracterizado por uma tensão de lâmpada de 110 V e uma corrente de lâmpada de 455 mA, o que corresponde a uma fonte de alimentação de 50 W. O valor da indutância da bobina de lastro L1 é determinado pelo ponto de operação da lâmpada, a capacitância do capacitor de ignição C7 e a frequência de operação, que é aproximadamente igual a 45 kHz a uma tensão nominal de rede de 230 V.

A potência de acionamento da lâmpada desejada pode ser alcançada com várias combinações de indutância L1 e capacitância C7. A escolha de uma combinação específica depende de fatores como o modo de aquecimento, a tensão de ignição mínima necessária e as tolerâncias nos parâmetros dos componentes do circuito. Na maioria dos casos, a combinação de uma bobina de estrangulamento L1 com uma indutância de 1 mH e um capacitor de ignição C7 com capacidade de 8200 pF é ideal.

Para proteger os elementos do circuito de energia de sobrecargas significativas, o microcircuito possui uma função de proteção integrada do modo de operação capacitivo, que está ativo nos estágios de ignição e combustão. O chip UBA2021 verifica a queda de tensão em R5 e R6 durante a ativação do transistor VT2 em cada ciclo do inversor.

Se esta tensão for inferior a 20 mV, o que significa que o circuito está operando no modo capacitivo, o UBA2021 passa a aumentar a frequência de chaveamento a uma taxa muito maior do que baixou durante as fases de aquecimento e ignição. Como resultado, a frequência de comutação excederá a frequência de ressonância. Quando os sinais do modo capacitivo desaparecem, a frequência de comutação diminui novamente para a necessária.

A proteção contra remoção da lâmpada é fornecida pelo método de alimentação de baixa tensão para o UBA2021. Quando a lâmpada é removida, a tensão CA no capacitor C6 torna-se zero, o que leva ao desaparecimento da fonte de alimentação de baixa tensão do IC. Depois de substituir a lâmpada sem desligar o reator eletrônico, o funcionamento do circuito será retomado da fase de inicialização. E, por fim, é impossível iniciar o reator eletrônico na ausência de uma lâmpada - afinal, neste caso, o resistor de partida R7 está desconectado da alta tensão.

O reator eletrônico é equipado com um capacitor eletrolítico C4 tipo ASH-ELB 043. Esses capacitores, especialmente projetados para uso em circuitos eletrônicos de alimentação de lâmpadas fluorescentes, são caracterizados por uma longa vida útil (15000 horas) em temperaturas de até 85 ° C e suportar ondulações de corrente significativas.

Os interruptores de energia no inversor são MOSFETs do tipo PHX3N50E (o índice E indica uma maior confiabilidade do dispositivo). Ao usar o princípio de comutação de tensão zero, as perdas de comutação dos MOSFETs são minimizadas. O aquecimento de cada um dos transistores é causado apenas por perdas no estado condutivo, e o grau de aumento da temperatura depende da resistência do canal aberto "fonte de dreno" R_DS ligado e resistência térmica da caixa R_tn.

As durações dos estágios de aquecimento e ignição são bastante curtas, pelo que a escolha do tipo de MOSFET foi determinada pela magnitude da corrente que flui pelo indutor de lastro no modo de queima da lâmpada. O PHX3N50E apresenta uma tensão dreno-fonte máxima de 500 V e uma resistência de menos de 3 ohms.

O design da bobina de lastro L1 com indutância de 1 mH, que pode suportar correntes de ignição de pico de até 2,5 A, permite que seja usado em circuitos sem aterramento de proteção. O ignitor no reator eletrônico é o capacitor C7 com capacidade de 8200 pF do tipo KR / MMKR376. Este tipo de capacitor é projetado para uso em circuitos com altas taxas de variação e altas taxas de repetição. O capacitor instalado é capaz de suportar uma oscilação de tensão de até 1700 V (600 V RMS de tensão senoidal). O capacitor pode ser substituído por polipropileno K78-2 para 1600 V. Tipos recomendados de componentes de lastro eletrônico são dados na tabela. 3.6. E na mesa 3.7 são dados características energéticas de reatores eletrônicos no chip UBA2021.

Tabela 3.6. Tipos recomendados de componentes eletrônicos EPR

Reator eletrônico no chip UBA2021

Tabela 3.7. Características energéticas de reatores eletrônicos

Reator eletrônico no chip UBA2021

Autor: Koryakin-Chernyak S.L.

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