CC BY
52Что такое хорошо и что такое плохо?
Электроника для светотехники
Авторы данной статьи в течение последних шести лет занимаются разработкой и изучением проблем электронных устройств питания отечественных люминесцентных ламп током высокой частоты — так называемыми ЭПРА или электронными балластами. Создание в конечном итоге экологических светильников с люминесцентными лампами позволит использовать их для освещения наших квартир, а это означает значительное улучшение качества освещения при снижении энергопотребления. Описания схемотехнических решений электронных балластов приводятся в большом количестве в литературе и в Интернете, а вот опыт их внедрения в условиях российской действительности описан в недостаточном объеме.
Леонид Битно, Владимир Токарев, Юрий Битно
Скептически настроенное большинство наших сограждан не видит перспектив скорого внедрения электронных балластов в светильниках с люминесцентными лампами. Всех пугает, в первую очередь, цена изделия, которая в настоящее время в 2-4 раза превышает цену привычных ПРА (дросселя со стартером). О надежности сложных электронных изделий, каковыми являются ЭПРА, ходят нелестные слухи. Почему же весь мир увидел в ЭПРА будущее? Дело в том, что первый вопрос у «нас» задают о цене и лишь затем спрашивают о характеристиках. У «них» же в первую очередь достигаются высокие характеристики изделия, а затем идет жестокая борьба за снижение цены, которая достигается повышением уровня технологии производства. Поэтому когда появились первые «электронные балласты», превратившие вредные для здоровья человека светильники с люминесцентными лампами в экологически чистые, над ними начали усиленно работать наиболее крупные компании — Motorola, Philips, Osram и другие.
Качество электронных балластов неуклонно повышается, а их цена падает. В 1995 г., по данным компании Engineered Lighting Products (США), средняя цена на электронный балласт для ламп суммарной мощностью около 80 Вт в США составляла $30, а в 2000 г. — уже около $18. Дальнейшее снижение цен будет связано с созданием специализированных микросхем, и в ближайшее время мы будем свидетелями того, как электронные балласты завоюют рынок и полностью вытеснят привычные дроссели со стартерами.
Мы создавали свой электронный балласт, изучая его эксплуатационные качества в школах, где требуется большое количество светильников, а уровень технического обслуживания достаточно низок.
Блок-схема электронного балласта для люминесцентных ламп мощностью более 40-100 Вт уже устоялась: сетевой фильтр — выпрямитель — корректор фактора мощнос-
ти — мощный высокочастотный генератор (см. рисунок). Каждый из выделенных блоков имеет технические решения, обладающие своими достоинствами и недостатками.
Начнем с корректора фактора мощности. Его принципиальная схема и схема разводки подробно описаны в различных источниках. Нами были учтены рекомендации по применению МС34262: использованы быстрый диод 10ББ60 производства 1И, МО8БЕТ-тран-зистор КП728Л (и= 500 В и И=2 Ом) в качестве ключа. Схема работает удовлетворительно при нагрузке 40-100 Ватт. При снижении потребляемой мощности транзистор начинает перегреваться: большой размер кристалла транзистора и, соответственно, большая емкость между стоком и истоком не позволяют МОвБЕТ работать на высокой частоте и с небольшими токами. В номинальном режиме работы балласта этого можно было бы не замечать, однако нежелательных режимов появляется больше, чем хотелось бы.
Проблемы начинаются с момента первого включения балласта в процессе его испытаний. Включать его с мощной нагрузкой просто страшно, пока мы не уверены, что все элементы функционируют, как им положено, а маломощную нагрузку мы включить не сможем, так как каскад работает неудовлетворительно из-за перегрева МО8БЕТ. В этой ситуации МО8БЕТ компании Ш последнего поколения не только стоят меньше своих пред- шест-венников, но и лучше работают. Из-за малых габаритов и низкой цены электронного балласта мощ-
ностью до 120 Вт мы использовали модель 1ИР420 в корпусе Б-рак.
Выходной блок электронного балласта — мощный высокочастотный генератор. Это наиболее сложный узел электронного балласта. Его сложность определяется тем, что он работает на нагрузку, которая, в общем случае, непредсказуема, и при этом каскад, работающий на частоте в десятки килогерц, должен иметь такой уровень защитных функций, чтобы исключить выходы из строя как при кратковременных, так и при долговременных нештатных ситуациях. На рынке США сегодня присутствует не менее 30 компаний, производящих электронные балласты, но по-настоящему надежными при нештатных подключениях являются единицы.
Мы конструировали мощный высокочастотный генератор, исходя из того, что российские электрики — самые «бесшабашные» в мире. Если в светильник, предназначенный для ламп ЛБ40, можно установить лампу ЛБ-36, «наш человек», не задумываясь, это сделает. Если в светильник для ЛБ-20 нужно установить новый ЭПРА, он, не задумываясь, установит туда ЭПРА, предназначенный для ламп ЛБ-40 или ЛБ-80.
Максимальная амплитуда выходного тока нашего электронного балласта стабилизируется посредством изменения частоты генерации, поскольку нагрузка выходного каскада имеет индуктивный характер. При изменении величины нагрузки от 0 до 500 Ом частота изменяется от 50 до 20 кГц. При более высоком сопротивлении нагрузки выходное напряжение вообще отключается. Таким образом, к балласту можно подключать лампу (лампы) на ток 0,38.. .0,42 А при суммарном напряжением на лампе до 250 В. Мощность, отдаваемая балластом в нагрузку, может колебаться от 0 до 120 Вт в зависимости от напряжения на лампе.
Выходное напряжение, развиваемое мощным генератором, — 330-350 В, через индуктивность подается на люминесцентную лампу. Поэтому чем ниже напряжение на люминесцентной лампе, тем ближе к треугольной форме приближается форма тока, питающего эту лампу, и тем меньше величина действующего значения этого тока. Например, при последовательном подключении двух ламп ЛБ-40 с падением напряжения на каждой из них 100 В и максимальном значении тока 0,6 А действующее значение тока в лампе составит 0,42 А при коэффициенте формы тока 1,42. Если к тому же электронному балласту подключить одну лампу ЛБ-20, падение напряжения на ней составит 60 В при амплитудном значении тока 0,6 А, а действующее значение тока из-за увеличения коэффициента формы тока до 1,58 составит 0,38 А.
Режим поджигания лампы также осуществляется с фиксацией тока, протекающего через
нити накала на заданном уровне. Максимальная амплитуда ограничивается на уровне 0,8 А при действующем значении тока 0,48 А.
Мы не станем предлагать выбранный нами вариант высокочастотного генератора, поскольку в рекомендациях по применению мощных транзисторов и драйверов компании Ж подробно описаны различные варианты их использования. Однако приведем данные по применению элементной базы. В выходных каскадах первых образцов своих электронных
Таблица
двух лет мы получили следующий результат: ШРБЕ30 нагреваются примерно в два раза меньше, чем КП707В1, а выхода электронных балластов из строя не наблюдалось вообще.
Таким образом, разработанный нами электронный балласт максимально приспособлен для эксплуатации в условиях России.
Данные испытаний электронного балласта БС1 с различными типами ламп и различными схемами включения приведены в таблице.
Применение электронных балластов позволит сделать светильники с люминесцентными лампами надежным и экономичным источником света в наших квартирах. При этом уровень освещенности будет выше, чем при использовании обычных ламп накаливания той же мощности.
Схема включения Я.
^=1 всі и -= вс, Лампа п Ламга С ПГ П
Тип лампы ЛБ20 ЛБ36 ЛБ40-2 ЛБ20+ЛБ20 ЛБ36+ЛБ36 ЛБ40+ЛБ40
Емкость конденсатора поджигания, мкФ 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
Ток потребления, А, при ивх=220В 0.14 0.21 0.23 0.23 0.37 0.41
Мощность потребления, Вт 30 45 50 50 80 90
Коэффициент мощности 0.96 0.96 0.97 0.97 0.98 0.98
Ток лампы, А (действующее значение) 0.42 0.41 0.41 0.41 0.41 0.4
Пиковое значение тока лампы, А 0.62 0.61 0.61 0.61 0.61 0.6
Коэффициент формы тока лампы 1.48 1.48 1.48 1.48 1.5 1.5
Частота тока лампы, кГц 34 33-34 32-34 32-34 28-33 26-33
Выходное напряжение при старте, В 500 500 500 400 400 400
Время зажигания лампы, с 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
Число циклов включения/выключения лампы 4000 5000 7000 7000 10000 10000
балластов мы применили высоковольтные МОвРЕТ КП707В1 (800 В, 2,2 Ом) и произвели пять запусков различных опытных конструкций электронных балластов по 30-50 шт. в каждой партии. В результате их опытно-промышленной эксплуатации в средних школах в течение пяти лет вышли из строя по неустановленным причинам (скорее всего, из-за выхода из строя КП707В1) более 20 % электронных балластов.
По конструкторской документации последних двух запусков мы изготовили опытную партию электронных балластов в количестве 100 шт., в которых применили М08БЕТ компании Ш — ШРБЕ30 (800 В, 3,0 Ом). В результате опытно-промышленной эксплуатации этих балластов в течение
