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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Ballast électronique universel à allumage à chaud pour lampes fluorescentes T8. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / éclairage L'auteur propose la conception d'un ballast électronique pour lampes fluorescentes T8, assemblé sur un microcircuit spécialisé ICB1FL02G. L'appareil est équipé d'un correcteur de puissance actif, offre une protection contre les modes d'urgence et dispose de sept options différentes pour connecter des lampes de puissance variable. Ballasts électroniques - un ballast électronique, souvent appelé ballast électronique, est utilisé pour allumer et maintenir le mode de fonctionnement des lampes à décharge (dans ce cas, des lampes fluorescentes). Les avantages du ballast électronique par rapport à un accélérateur et un démarreur classiques sont évidents : l'absence de scintillement des lampes au démarrage, un facteur de puissance plus élevé, un facteur de pulsation du flux lumineux nettement inférieur, ainsi qu'un coût inférieur, etc. De nos jours, presque toutes les lampes fluorescentes, que ce soit au bureau ou à la maison, sont équipées d'un ballast électronique. En fonction de la conception de leurs circuits, les ballasts électroniques produits commercialement peuvent être divisés en deux catégories. Le premier est un convertisseur demi-pont à démarrage automatique basé sur deux puissants transistors haute tension de la série 13007 avec un correcteur de puissance passif. Les ballasts de ce type sont les moins chers et les plus courants, fonctionnant à une fréquence de 36...38 kHz. Les seconds - des ballasts électroniques plus chers, assemblés sur des microcircuits spécialisés, disposent d'un correcteur de puissance active et d'une fonction de démarrage « à chaud ». Ils ont généralement une fréquence de générateur de 36...48 kHz et se caractérisent par un très faible coefficient de pulsation du flux lumineux - 2...5 %. A titre de comparaison : pour une lampe allumée avec un starter et un démarreur classiques, les pulsations du flux lumineux sont approximativement égales à 40...60 %, avec un ballast électronique bon marché - environ 15 %. La version du ballast électronique sur un microcircuit spécialisé sera discutée dans cet article. Principales caractéristiques techniques
Le ballast est assemblé sur un contrôleur à microcircuit spécialisé pour ballast électronique de lampes fluorescentes - ICB1FL02G, développé par Infineon. Les ballasts de ce microcircuit sont similaires dans leur conception de circuit aux ballasts des microcircuits International Rectifier, par exemple IR2168, IR2166, mais nécessitent moins d'éléments externes et, comme la pratique l'a montré, sont plus stables et plus fiables (c'est l'opinion subjective de l'auteur) . Le schéma de l'appareil est présenté sur la Fig. 1. Sa principale particularité réside dans sept configurations (options) de connexion des lampes : 1x18 (une lampe fluorescente de type T8 d'une puissance de 18 W), 1x36, 1x58, 2x18, 2x36, 3x18, 4x18 (Fig. 2). Une description détaillée du fonctionnement du microcircuit est donnée dans [1]. Le fonctionnement du ballast peut être divisé en trois étapes : préchauffage des cathodes de la lampe, allumage et mode de fonctionnement. Le préchauffage est mis en œuvre de cette manière. Immédiatement après la mise sous tension, le générateur d'horloge de la puce commence à fonctionner à une fréquence d'environ 125 kHz. Après 10 ms, sa fréquence diminue progressivement jusqu'à 65 kHz - c'est la fréquence de préchauffage, définie par la résistance R22. Cette valeur est bien supérieure à la fréquence de résonance du circuit ballast de sortie L2C14, donc la tension appliquée aux cathodes des lampes sera insuffisante pour les allumer. Le préchauffage des lampes commence, dont la durée est fixée par la résistance R26 et sélectionnée dans la plage de 0 à 2 s (dans notre cas - 1 s). Pendant ce temps, la fréquence reste inchangée. Pendant le préchauffage, les cathodes des lampes seront suffisamment réchauffées par le courant haute fréquence et le gaz contenu dans les lampes commencera à s'ioniser partiellement. En conséquence, l'allumage ultérieur s'effectuera dans un mode moins « stressant » pour les filaments de la lampe et avec des surtensions plus faibles à travers les transistors VT2, VT3. La fonction de préchauffage augmente considérablement, parfois plusieurs fois, la durée de vie de la lampe fluorescente.
Une fois le temps de préchauffage écoulé, la fréquence du générateur d'horloge de la puce recommencera à diminuer au cours des 40 ms suivantes. À mesure qu'elle se rapproche de la fréquence de résonance du circuit L2C14, la tension appliquée des plaques du condensateur C14 aux cathodes des lampes commencera à augmenter fortement et lorsqu'elle atteindra 600...800 V, l'allumage se produira. Si à ce moment la tension sur le capteur de courant - résistance R27 atteint un seuil de 0,8 V, et cela peut se produire, par exemple, en essayant d'allumer le ballast sans charge ou en cas de dysfonctionnement de l'une des lampes, le contrôleur du microcircuit va arrêtez de réduire davantage la fréquence du convertisseur et recommencez à l'augmenter, ce qui, à son tour, entraînera une diminution de la tension sur le condensateur C14. Ceci est fait afin d'éviter des surtensions excessives de courant et de tension à la sortie du convertisseur. Lorsque la chute de tension descend en dessous de 0,8 V aux bornes de la résistance R27, la fréquence recommence à diminuer. Ce processus peut être répété plusieurs fois jusqu'à ce qu'un signal d'allumage réussi soit reçu. Ce signal est l'apparition d'un courant sinusoïdal d'une amplitude ne dépassant pas 2,5 mA à l'entrée LVS1 (LVS - Lamp Voltage Sense, broche 13) DA1 et d'une tension trapézoïdale avec une oscillation ne dépassant pas 3,2 V à l'entrée RES (RESTART, broche 12) DA1 . Le temps d'allumage maximum peut atteindre 235 ms. Si les lampes ne parviennent pas à s'allumer, le microcircuit passera en mode d'urgence et cessera de commuter les transistors VT2 et VT3. Si l'allumage réussit, DA1 passera en mode de fonctionnement, la fréquence du générateur d'horloge diminuera jusqu'à la valeur de fonctionnement définie par la résistance R18. Les trois étapes de fonctionnement du ballast : préchauffage, allumage et mode de fonctionnement sont illustrées par l'oscillogramme de la Fig. 3 (oscilloscope connecté aux broches 3, 9 du connecteur XS1). En figue. La figure 4 montre un oscillogramme de tension en mode de fonctionnement stable avec quatre lampes de 18 W chacune connectées.
En mode de fonctionnement, des fonctions de protection supplémentaires sont activées : EOL (End Of Life) - fin de vie de la lampe, protection contre le fonctionnement en mode capacitif, protection contre l'effet redresseur des lampes. En cas de forte augmentation du courant traversant la lampe, pouvant survenir vers la fin de sa durée de vie, le courant dans le circuit augmentera jusqu'à 215 µA : plus l'alimentation, R14, R16, R21, R23, R30, filament de lampe, R17, R15, R13, R12, capteur de courant interne de la puce DA1. Cela déclenchera la protection EOL et le ballast s'éteindra. Si les alternances positives et négatives du courant circulant dans ce circuit ne sont pas égales en amplitude, cela signifie que la lampe fonctionne en mode redresseur. En d’autres termes, il y a plus de courant traversant la lampe dans un sens que dans l’autre. Cet effet est dû à l'usure prématurée de l'une des cathodes de la lampe. Dans ce cas, le ballast passe également en mode secours. Si pendant le fonctionnement du ballast le contact dans le circuit de la lampe est rompu, par exemple en raison d'un support de lampe défectueux ou d'un grillage de l'un des filaments, la résistance du circuit augmentera fortement et l'étage de sortie passera en fonctionnement capacitif, ce qui , à son tour, peut provoquer une résonance. Dans ce cas, la tension à l'entrée RES dépassera le niveau de 1,6 V, ce qui déclenchera la protection et éteindra le ballast. De plus, les entrées LVS1 et RES du microcircuit DA1 permettent de contrôler le branchement des lampes pendant toute la durée de fonctionnement du ballast. Si l'une des lampes est retirée pendant que le ballast fonctionne, le ballast s'éteindra. Le correcteur de puissance active est monté sur le transformateur T1, le transistor VT1, la diode VD2 et le condensateur C5. Son objectif est de rapprocher le plus possible la forme du courant consommé de celle de la tension, de réduire le déphasage entre le courant et la tension, minimisant ainsi la puissance réactive. Le principe de son fonctionnement est décrit en détail dans [1] et [2]. Une particularité de ce correcteur est la capacité de fonctionner à la fois en mode de conduction critique (CCM) et en mode de conduction discontinue (DCM). Le diviseur R8-R11C6 est utilisé pour contrôler la valeur instantanée de la tension d'alimentation et déterminer le temps de fermeture du transistor VT1. L'enroulement secondaire du transformateur T1, connecté via une résistance de limitation de courant R3 à l'entrée PFCZCD (broche 7) de DA1, est nécessaire pour déterminer le moment où le courant traversant l'enroulement primaire du transformateur atteint zéro. Dès que cela se produit, une impulsion d'ouverture sera appliquée à la grille du transistor VT1. Les deux enroulements du transformateur T1 doivent être en phase. Le microcircuit est alimenté dès le premier instant après la mise sous tension à partir du circuit R1, R2, R5. À l'avenir - de l'étage de sortie au stabilisateur C12C13R28VD5VD6C10. Pour connecter quatre lampes au ballast, le fabricant de la puce recommande d'utiliser deux circuits de ballast de sortie connectés en parallèle, avec deux lampes connectées en série dans chaque circuit [1]. Mais alors le problème suivant surgit. Même avec un léger écart dans les paramètres du circuit de sortie LC, des paires de lampes peuvent ne pas s'allumer simultanément, ce qui n'est pas très agréable à percevoir. En revanche, allumer quatre lampes connectées en série est assez problématique, car elles n'ont pas le temps de se réchauffer suffisamment lors du préchauffage, et il faut beaucoup plus d'énergie pour l'allumage. De plus, il ne faut pas oublier les pertes sur les fils de connexion. La solution consistait à conserver un circuit de sortie, mais à ajouter un transformateur abaisseur auxiliaire de faible puissance T2. Il compense les pertes aux points de jonction des lampes, améliore l'échauffement des lampes et facilite leur allumage. Il a été établi expérimentalement que la puissance du transformateur T2 doit être de 8... 10 % de la puissance totale des lampes, le rapport de transformation doit être de 20.30. Lors du raccordement des lampes 1x18, 2x18, 1x36 au ballast, le transformateur T2 et les condensateurs de séparation C11, C16 et C18 doivent être retirés pour éviter de fournir une puissance excessive aux lampes. La documentation [1] fournit le calcul de tous les principaux éléments du ballast, à l'exception du circuit de sortie L2C14. L'inductance de l'inductance L2 et la capacité du condensateur C14 sont calculées comme suit. Puissance maximale de la lampe (4x18 ou 2x36) P=72 W, fréquence de fonctionnement sélectionnée f=41 kHz, fréquence d'amorçage fign=48 kHz [1], en utilisant un démarrage « à chaud », la tension d'allumage optimale Uign≈700 V. Du rapport énergétique on obtient E = P/f = C U2/ 2, par conséquent, C14 = 2P/(figntuign2) = 2 72/(48 103· 7002) ≈ 6,1nF. Parmi ceux disponibles, un condensateur d'une capacité de 6,8 nF a été sélectionné. Déterminons maintenant l’inductance de l’inducteur L2. La fréquence est f = 1/(2π√LC), par conséquent, L2 = 1/(4π2C f2) = 1/(4π26,8 412· 106) = 2,2 mH. En revanche, l'inductance de la self de ballast doit remplir la condition L2 = (Ufosse - Uл) touvert/Iл , où es-tufosse - tension d'alimentation ; Vousл - tension de fonctionnement sur les lampes (la tension de fonctionnement d'une lampe de 18 W est approximativement égale à environ 56 V, donc Uл=4 56=224V); touvert - temps d'ouverture du transistor à f=41 kHz, touvert ≈11,5 μs (selon [1]) ; jeл≈0,33 A - courant de fonctionnement de la lampe. D'ici L2 = (290 - 224) 11/330 = 2,2 mH. On détermine le courant maximum de l'inductance L2, il sera égal au courant du condensateur C14 au moment de la résonance IL2 =Urez2π frez·C = 700·2π·48·1036,8 10-9 = 1,4 A Nous sélectionnons un circuit magnétique adapté à la puissance globale, par exemple EV25/13/13. Estimons l'écart requis g : g = (4 10-4π L Imax2)/(S B2), où S est la section transversale du circuit magnétique, m (pour EV25/13/13 S=75 mm2); B - induction maximale, T ; L - inductance, H ; jemax - courant maximum, A. Prenons l'induction B = 0,22 T. Obtenir g = (4 10-4π 2,2 10-3· 1,42)/(75 10-6· 0,222) = 1,5 mm. Calculer le nombre de spires N de l'inductance L2 : L=N2·UNEL, par conséquent, N = √(LAL) ; UNL = (UnL0λ)/(μeg) où unL - inductance par tour (noyau magnétique avec entrefer), H ; UNL0 - inductance par tour (noyau magnétique sans entrefer, informations du livre de référence), H ; λ - longueur de la ligne de champ moyen du circuit magnétique, mm ; µe - perméabilité magnétique initiale du matériau du noyau magnétique (informations du livre de référence). Pour noyau magnétique EV25/13/13, matériau N87 - AL0=2400 nH, λ=59 mm, μe= 1520. D'où 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 tours. Vérifions l'induction maximale B = (jemaxµ0·N)/g, où μ0 = 4π 10-7 Gn/m ; B = (1,4 4π 10-7181)/(1,5 10-3) = 0,212 T Le starter est enroulé avec un fil de 4x0,2 mm (quatre fils d'un diamètre de 0,2 mm). Si possible, il est conseillé de diviser le bobinage en sections. L'appareil est monté sur un circuit imprimé constitué d'une feuille de fibre de verre sur un côté. Le dessin du circuit imprimé est présenté sur la Fig. 5. Tous les éléments pour le montage en surface sont situés du côté des conducteurs imprimés, tous les éléments de sortie sont du côté opposé. La disposition des éléments est représentée sur la Fig. 6. Des photos de l'appareil assemblé sont présentées sur la Fig. 7 et fig. 8. Condensateur C14 - film métallique, pour une tension de 1600 V, condensateurs C11-C13 - film métallique ou disque céramique pour une tension de 1000 V, condensateurs C16, C18 - 100 V. Diodes VD2, VD4 - à action rapide avec un tension inverse admissible d'au moins 600 V. Les transistors FQD5N50 (VT1-VT3) peuvent être remplacés par SPP03N60C3 ou similaire. Le transformateur T1 est bobiné sur un noyau magnétique E25/13/7, matériau N27, entrefer amagnétique 1,6 mm. L'enroulement primaire contient 184 tours de fil 4x0,2 mm, l'enroulement secondaire contient 14 tours de fil d'un diamètre de 0,3 mm. Le transformateur T2 est bobiné sur un noyau magnétique E16/8/5, matériau N27, sans entrefer. L'enroulement 1-2 contient 208 tours, les enroulements 11 - 14, 6 - 7, 10 -13 - 24 tours chacun, les enroulements 4 - 5, 8 - 9 - 12 tours chacun. Le diamètre du fil de tous les enroulements est de 0,18 mm. Il est conseillé de sélectionner les résistances de réglage de fréquence R18, R22, R26 avec une tolérance de 0,5 à 1 %. Un appareil correctement assemblé commence généralement à fonctionner immédiatement et ne nécessite aucune configuration.
littérature
Auteur : V. Lazarev
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