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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Reator eletrônico universal de partida a quente para lâmpadas fluorescentes T8. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / iluminação O autor propõe o projeto de um reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes T8, montado em um microcircuito especializado ICB1FL02G. O dispositivo é equipado com um corretor de potência ativa, oferece proteção contra modos de emergência e possui sete opções diferentes para conectar lâmpadas de diferentes potências. Reator eletrônico - um reator eletrônico, geralmente chamado de reator eletrônico, é usado para acender e manter o modo de operação de lâmpadas de descarga de gás (neste caso, lâmpadas fluorescentes). As vantagens de um reator eletrônico sobre um afogador convencional são óbvias, como a ausência de cintilação da lâmpada na partida, um fator de potência mais alto, um fator de ondulação do fluxo luminoso significativamente menor, além de um custo mais baixo, etc. Hoje em dia, quase todas as lâmpadas fluorescentes, sejam de escritórios ou residências, são equipadas com um reator eletrônico. Em termos de circuitos, os reatores eletrônicos produzidos em massa podem ser divididos em duas categorias. O primeiro é um conversor de meia ponte com início automático em dois poderosos transistores de alta tensão da série 13007 com um corretor de potência passivo. Os balastros deste tipo são os mais económicos e comuns, operando a uma frequência de 36...38 kHz. O segundo - reatores eletrônicos mais caros, montados em microcircuitos especializados, possuem um corretor de potência ativa e uma função de partida "quente". Eles geralmente têm uma frequência de oscilador de 36...48 kHz e se distinguem por um coeficiente de pulsação de fluxo de luz muito baixo - 2...5%. Para comparação: para uma lâmpada ligada com um afogador e starter convencionais, as pulsações do fluxo luminoso são de aproximadamente 40 ... 60%, com um reator eletrônico barato - cerca de 15%. A versão do reator eletrônico em um microcircuito especializado será discutida neste artigo. Principais características técnicas
O reator é montado em um microcircuito-controlador especializado de reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes - ICB1FL02G, desenvolvido pela Infineon. Os reatores neste chip são semelhantes em circuitos aos reatores nos chips retificadores internacionais, por exemplo, IR2168, IR2166, mas requerem menos elementos externos e, como a prática tem mostrado, são mais estáveis e confiáveis (esta é a opinião subjetiva do autor). O esquema do dispositivo é mostrado na fig. 1. Seu principal diferencial são as sete configurações (opções) para conectar lâmpadas: 1x18 (uma lâmpada fluorescente T8 com potência de 18 W), 1x36, 1x58, 2x18, 2x36, 3x18, 4x18 (Fig. 2). Uma descrição detalhada da operação do microcircuito é dada em [1]. A operação do reator pode ser dividida em três etapas: pré-aquecimento dos cátodos da lâmpada, ignição e modo de operação. O pré-aquecimento é implementado da seguinte forma. Imediatamente após ligar, o gerador de clock do microcircuito começa a operar a uma frequência de cerca de 125 kHz. Após 10 ms, sua frequência diminui suavemente para 65 kHz - esta é a frequência de pré-aquecimento, definida pelo resistor R22. Este valor é muito maior que a frequência de ressonância do circuito do reator de saída L2C14, portanto a tensão aplicada aos cátodos das lâmpadas não será suficiente para acendê-los. Começa o pré-aquecimento das lâmpadas, cuja duração é definida pelo resistor R26 e é selecionada na faixa de 0 a 2 s (no nosso caso, 1 s). Durante este tempo, a frequência permanece inalterada. Durante o período de pré-aquecimento, os cátodos das lâmpadas serão suficientemente aquecidos pela corrente de alta frequência e o gás nas lâmpadas começará a ionizar parcialmente. Como resultado, a ignição subsequente ocorrerá em um modo menos "estressante" para os filamentos da lâmpada e com picos de corrente mais baixos através dos transistores VT2, VT3. A função de pré-aquecimento significativamente, às vezes várias vezes, aumenta a vida útil da lâmpada fluorescente.
Após um tempo de pré-aquecimento dos próximos 40 ms, a frequência do relógio do microcircuito começará a diminuir novamente. À medida que se aproxima da frequência de ressonância do circuito L2C14, a tensão aplicada das placas do capacitor C14 aos cátodos das lâmpadas começará a aumentar acentuadamente e, ao atingir 600 ... 800 V, ocorrerá a ignição. Se neste momento a tensão no sensor de corrente - resistor R27 atingir o limite de 0,8 V, e isso pode acontecer, por exemplo, ao tentar ligar o reator sem carga ou se uma das lâmpadas falhar, o controlador do microcircuito irá pare de reduzir ainda mais a frequência do conversor e comece a aumentá-la novamente , o que, por sua vez, causará uma diminuição na tensão no capacitor C14. Isso é feito para evitar surtos excessivos de corrente e tensão na saída do conversor. Quando a queda de tensão cair abaixo de 0,8 V no resistor R27, a frequência diminuirá novamente. Este processo pode ser repetido várias vezes até que seja recebido um sinal de ignição bem-sucedido. Este sinal é a aparência de uma corrente senoidal com amplitude não superior a 2,5 mA na entrada LVS1 (LVS - Lamp Voltage Sense, pino 13) DA1 e uma tensão trapezoidal com oscilação não superior a 3,2 V na entrada RES (RESTART, pino 12) DA1 . O tempo máximo de ignição pode ser de até 235ms. Em caso de ignição malsucedida das lâmpadas, o microcircuito entrará no modo de emergência e interromperá a comutação dos transistores VT2 e VT3. Após a ignição bem-sucedida, DA1 mudará para o modo operacional, a frequência do gerador de clock diminuirá para o valor operacional definido pelo resistor R18. Todos os três estágios da operação do reator: aquecimento, ignição e modo de operação são ilustrados pelo oscilograma na Fig. 3 (o osciloscópio é conectado aos pinos 3, 9 do conector XS1). Na fig. 4 mostra a forma de onda da tensão no estado estacionário operacional com quatro lâmpadas de 18 W conectadas cada.
No modo operacional, funções de proteção adicionais são ativadas: EOL (End Of Life) - o fim da vida útil da lâmpada, proteção contra operação no modo capacitivo, proteção contra o efeito retificador das lâmpadas. Em caso de aumento acentuado da corrente na lâmpada, que pode ocorrer no final de sua vida útil, a corrente no circuito aumentará para 215 μA: mais fonte de alimentação, R14, R16, R21, R23, R30, lâmpada filamento, R17, R15, R13, R12, chip sensor de corrente interna DA1. Isso acionará a proteção EOL e o reator será desligado. Se os semiciclos positivo e negativo da corrente que flui através deste circuito não forem iguais em amplitude, isso significa que a lâmpada está operando no modo retificador. Em outras palavras, há mais corrente através da lâmpada em uma direção do que na outra. Este efeito é causado pelo desgaste prematuro de um dos cátodos da lâmpada. Neste caso, o lastro também entra em modo de emergência. Se durante a operação do reator o contato no circuito da lâmpada for interrompido, por exemplo, devido a um suporte de lâmpada defeituoso ou a queima de um dos filamentos, a resistência do circuito aumentará drasticamente e o estágio de saída mudará para capacitivo operação, que, por sua vez, pode causar ressonância. Neste caso, a tensão na entrada RES ultrapassará o nível de 1,6 V, o que fará com que a proteção acione e desligue o reator. Além disso, as entradas LVS1 e RES do chip DA1 servem para controlar a ligação das lâmpadas durante todo o tempo em que o reator está funcionando. Se uma das lâmpadas for removida enquanto o reator estiver funcionando, o reator será desligado. O corretor de potência ativa é montado em um transformador T1, um transistor VT1, um diodo VD2 e um capacitor C5. Sua finalidade é aproximar ao máximo a forma da corrente consumida da forma da tensão, para reduzir o deslocamento de fase entre a corrente e a tensão, minimizando assim a potência reativa. O princípio de seu funcionamento é descrito em detalhes em [1] e [2]. Uma característica deste corretor é a capacidade de trabalhar tanto no Modo de Condução Crítica (CCM) quanto no Modo de Condução Descontínua (DCM). O divisor R8-R11C6 é usado para controlar o valor instantâneo da tensão de alimentação e determinar o tempo de fechamento do transistor VT1. O enrolamento secundário do transformador T1, conectado por meio de um resistor limitador de corrente R3 à entrada PFCZCD (pino 7) DA1, é necessário para determinar o momento em que a corrente através do enrolamento primário do transformador chega a zero. Assim que isso acontecer, um pulso de abertura será aplicado na porta do transistor VT1. Ambos os enrolamentos do transformador T1 devem estar em fase. O microcircuito é alimentado no primeiro momento após ligar do circuito R1, R2, R5. No futuro - do estágio de saída através do estabilizador C12C13R28VD5VD6C10. Para conectar quatro lâmpadas ao reator, o fabricante do microcircuito recomenda a utilização de dois circuitos de saída de reator conectados em paralelo, em cada circuito existem duas lâmpadas ligadas em série [1]. Mas então surge o próximo problema. Mesmo com uma ligeira dispersão nos parâmetros do circuito LC de saída, pares de lâmpadas podem ser acesos não simultaneamente, o que não é muito agradável para a percepção. Por outro lado, quatro lâmpadas conectadas em série são bastante problemáticas para acender, pois não têm tempo para aquecer o suficiente durante o pré-aquecimento e é necessária muito mais energia para acender. Além disso, não devemos esquecer as perdas nos fios de conexão. A solução foi deixar um circuito de saída, mas adicionar um transformador abaixador auxiliar de baixa potência T2. Compensa as perdas na junção das lâmpadas, melhora o aquecimento das lâmpadas e facilita a sua ignição. Foi estabelecido experimentalmente que a potência do transformador T2 deve ser de 8 ... 10% da potência total das lâmpadas, a taxa de transformação é de 20.30. Ao conectar lâmpadas 1x18, 2x18, 1x36 ao reator, o transformador T2 e os capacitores de acoplamento C11, C16 e C18 devem ser removidos para evitar o fornecimento de energia em excesso às lâmpadas. A documentação [1] fornece o cálculo de todos os elementos principais do reator, com exceção do circuito de saída L2C14. A indutância do indutor L2 e a capacitância do capacitor C14 são calculadas da seguinte forma. Potência máxima da lâmpada (4x18 ou 2x36) P=72 W, frequência de operação selecionada f=41 kHz, frequência de ignição fign=48 kHz [1], usando uma partida "quente", a tensão de ignição ideal Uign≈700 V. Da relação de energia obtemos E = P/f = C U2/ 2, por isso C14 = 2P/(fign·VOCÊign2) = 2 72/(48 103· 7002) ≈ 6,1 nF. Dos capacitores disponíveis, foi escolhido um capacitor de 6,8 nF. Agora determinamos a indutância do indutor L2. A frequência é f = 1/(2π√LC), por isso L2 = 1/(4π2C f2) = 1/(4π26,8 412· 106) = 2,2mH. Por outro lado, a indutância da bobina de lastro deve atender à condição L2 = (vocêcova - VOCÊл) tabrir/Iл , onde vocêcova - tensão de alimentação; vocêл - tensão de operação nas lâmpadas (a tensão de operação de uma lâmpada de 18 W é aproximadamente igual a cerca de 56 V, portanto, Uл=4 56=224 V); tabrir - tempo de abertura do transistor em f=41 kHz, tabrir ≈11,5 µs (conforme [1]); EUл≈0,33 A - corrente de operação da lâmpada. Daqui L2 = (290 - 224) 11/330 = 2,2 mH. Determinamos a corrente máxima do indutor L2, será igual à corrente do capacitor C14 no momento da ressonância IL2 =Urez2π frezC = 700 2π 48 1036,8 10-9 = 1,4A. Escolhemos um núcleo magnético adequado para potência geral, por exemplo, EV25/13/13. Vamos estimar a lacuna necessária g: g = (4 10-4π L Imax2)/(S B2), onde S é a área da seção transversal do circuito magnético, m (para EV25/13/13 S=75 mm2); B - indução máxima, T; L - indutância, H; EUmax - corrente máxima, A. Vamos tomar a indução B = 0,22 T. Pegue g = (4 10-4π 2,2 10-3· 1,42)/(75 10-6· 0,222) = 1,5 mm. Calcule o número de voltas N do indutor L2: L=N2·UMAL, por isso N = √(L/AL); UMAL = (UMAL0λ)/(μeg) onde umL - indutância por volta (circuito magnético com gap), H; AL0 - indutância por volta (circuito magnético sem folga, informações do livro de referência), H; λ é o comprimento da linha de potência média do circuito magnético, mm; μe - permeabilidade magnética inicial do material do circuito magnético (informações do livro de referência). Para núcleo magnético EV25/13/13, material N87 - AL0=2400 nH, λ=59 mm, μe= 1520. Portanto 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 voltas. Vamos verificar a indução máxima B = (eumax·μ0N)/g, onde μ0 = 4π 10-7 H/m; B = (1,4 4π 10-7181)/(1,5 10-3) = 0,212T O indutor é enrolado com fio 4x0,2 mm (quatro fios com diâmetro de 0,2 mm). Se possível, é desejável dividir o enrolamento em seções. O dispositivo é montado em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro laminada em um dos lados. O desenho da placa de circuito impresso é mostrado na fig. 5. Todos os elementos para montagem em superfície estão localizados no lado dos condutores impressos, todos os elementos de saída estão no lado oposto. A localização dos elementos é mostrada na fig. 6. Fotos do dispositivo montado são mostradas na fig. 7 e fig. 8. Capacitor C14 - filme de metal, para tensão de 1600 V, capacitores C11-C13 - filme de metal ou disco cerâmico para tensão de 1000 V, capacitores C16, C18 - 100 V. Diodos VD2, VD4 - alta velocidade com um tensão reversa permitida de pelo menos 600 V. Os transistores FQD5N50 (VT1-VT3) podem ser substituídos por SPP03N60C3 ou similar. O transformador T1 é enrolado em um núcleo magnético E25/13/7, material N27, folga não magnética de 1,6 mm. O enrolamento primário contém 184 voltas de fio 4x0,2 mm, o secundário - 14 voltas de fio com diâmetro de 0,3 mm. O transformador T2 é enrolado em um circuito magnético E16/8/5, material N27, sem folga. O enrolamento 1-2 contém 208 voltas, enrolamentos 11 - 14, 6 - 7, 10 -13 - 24 voltas cada, enrolamentos 4 - 5, 8 - 9 - 12 voltas cada. O diâmetro do fio de todos os enrolamentos é de 0,18 mm. Resistores de ajuste de frequência R18, R22, R26, é desejável escolher com uma tolerância de 0,5-1%. Um dispositivo montado corretamente geralmente começa a funcionar imediatamente e não requer ajuste.
Literatura
Autor: V. Lazarev
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