CC BY
31Рекомендации
по проектированию компактных пускорегулирующих устройств
на базе микросхемы IR51H420
Борис Омаров
Фирма International Rectifier (IR) предлагает решение задачи снижения затрат на проектирование компактных пускорегулирующих устройств (ПРУ) и сокращения времени, необходимого для вхождения на рынок с новой продукцией. Это достигается за счет использования семейства новых гибридных интегральных схем производства IR.
Базовая принципиальная электрическая схема ПРУ приведена на рис. 1. Ее особенностями являются:
• возможность управления 13-ваттной компактной флуоресцентной лампой;
• напряжение питания 110 или 220 В;
• высокая рабочая частота (34 кГц);
• «мягкий» старт с предварительным подогревом катодов (45 кГц);
• защита при отключении лампы;
• защита от выбросов напряжения с автоматическим перезапуском.
Функциональное описание
Принципиальная схема (рис. 1) построена на основе гибридного драйвера для ПРУ IR51H420, который включает в себя ИС IR2151 и два 500-вольто-
вых МОП-транзистора второго топологического поколения, включенных по полумостовой схеме. При входном сетевом напряжении, равном 120 В (клеммы AC1 — ЭД, оно выпрямляется и удваивается, чтобы обеспечить напряжение на внутренней шине около 300 В. При входном напряжении сети 220 В (клеммы AC1 — AC2) оно только выпрямляется, но не удваивается, обеспечивая тот же уровень. Номинал стартового резистора R2 выбирается так, чтобы ток был достаточным для запуска внутреннего генератора ИС Ш5Ш420, но недостаточным для поддержания постоянной генерации. При таком ограничении мощность, рассеиваемая на резисторе R2, незначительна. Схема накачки заряда СЗН, состоящая из конденсатора И0 и диодов D5 и D6, включена так, что когда Ш5Ш420 самовозбуждается, СЗН генерирует ток, повышая напряжение на управляющем выводе Vcc. В случае если флуоресцентная лампа отключена от схемы, разрывается цепь зарядки конденсатора И0. Это ведет к снижению напряжения на выводе Vcc схемы Ш5Ш420. Когда напряжение на нем падает ниже отрицательного порога срабатывания, генерация в ней прекращается. С этого момента напряжение на выводе Vcc начинать возрастать, и, когда оно станет выше положительного порога срабатывания, ИС Ш5Ш420 возобновляет генерацию. Если лампа все еще отключена, то схема СЗН не сможет выполнить свою функцию, и, следовательно, напряжение на выводе Vcc снова упадет ниже значения напряжения отрицательного порога срабатывания. Устройство будет находиться в таком состоянии либо до выключения питания, либо пока не будет подключена лампа. Если же лампа будет вставлена в разъем, то она загорится.
Чтобы увеличить срок службы лампы и обеспечить ее «мягкий» запуск, ее катоды должны предварительно подогреваться, так как их сопротивление в «горячем» состоянии в три-четыре раза выше, чем в «холодном». Предварительный подогрев катодов обеспечивается использованием трехступенчатого запуска лампы. Каждая ступень соответствует определенной рабочей частоте. Старт генератора проис-
Рис. 2. Напряжение на катоде флуоресцентной лампы.
Показано увеличение сопротивления катода в течение периода разогрева катода
ходит на частоте, близкой к резонансной частоте LC-контура, образованного индуктивностью L1 и конденсатором С9. В результате начальное напряжение, приложенное к лампе, будет ниже напряжения ее зажигания. Частота на второй ступени запуска ниже первой и подобрана так, чтобы импульс тока через катоды лампы имел достаточную длину для их разогрева за время, в течение которого напряжение на лампе поддерживается ниже напряжения зажигания. На третьей сту-
пени запуска частота генератора достигает заданного значения. На этом этапе напряжение на лампе становится достаточно большим для зажигания дуги. Резонансная частота схемы сдвигается еще ниже. Ток через лампу ограничен индуктивностью L1.
Изменение частоты осуществляется переключением конденсаторов, используемых для задания частоты генерации. Эти конденсаторы переключаются путем закорачивания их с помощью МОП-транзисторов,
Таблица 1
Обозначение Описание Количество Тип Изготовитель
U1 ИС 1 IR51H420 IR
Q1, Q2 Полевой транзистор IRMLM2402 IR
BR1 Мост выпрямительный 1 DF10S IR
C1, C2 10 мкФ / 250 В ECE-A2EU100W PANASONIC
C3 1 мкФ / 50 В 1 ECE-A50Z1 PANASONIC
C4 2,2 мкФ / 50 В 1 ECE-A50Z2R2 PANASONIC
C5 1000пФ 1 ECU-U1H102KBP PANASONIC
C6 3300пФ 1 ECU-U1H332KBP PANASONIC
C7 0,1 мкФ / 50 В 1 ECU-V1H104KBP PANASONIC
C8, C10 470пФ/ 1 КВ 1 102S43N471KV4E JOHANSON DIELECTRIC
C9 0,01 мкФ / 630 В 1 MKP10 WIMA
R1 1,0 Ом, 1/2 ВА 1 1.0H-ND YAGEO
R2 240 кОм, 1/2 ВА 1 240 KQBK-ND YAGEO
R3, R4 1 МОм, 1/8 ВА 1 ERJ-8GEY105 PANASONIC
R5 2,2 МОм, 1/8 ВА 1 ERJ-8GEY225 PANASONIC
R6 20 кОм, 1/8 ВА 1 ERJ-8GEY203 PANASONIC
D1 7,5 В стабилитрон 1 BZT52-C7V5DICT-ND DIODES INC
D2 3,9 В стабилитрон 1 BZT52-C3V9DICT-ND DIODES INC
D3 400 В быстрый диод 1 10BF40 IR
D4, D5, D6 Диод 1 1N4148 DIODE INC
L1 2,5 мГ 1 9677142009 FAIR-RITE
Рис. 4. Напряжение на лампе (включение лампы, разогрев катода, горение лампы). Показано соотношение напряжений на лампе в течение разогрева лампы, в момент зажигания и в режиме горения
Рис. 5. Ток через лампу (включение лампы, разогрев катода, горение лампы) (масштаб 200 тА/дел). Показан ток через лампу в период разогрева катода и после зажигания
включающихся в различные моменты времени. Частота разогрева определяется по формуле :
^гмп
1
1.4(1*6)(С5)
С5+С 6
му на МОП ПТ. Буквы «HD» указывают, что гибридная схема ПРУ содержит управляющую ИС драйвера, полумостовую ключевую схему на МОП ПТ и диод.
Фотографии осциллограмм в различных точках схемы приведены на рис. 2-6. НИ
Длительность режима разогрева определяется RC-цепочкой R3C3 и напряжением на диоде Зенера D1. Когда напряжение на С3 достигнет значения, равного падению напряжения на D1, происходит включение Q1, конденсатор С6 закорачивается, и частота сдвигается до значения, определяемого по формуле:
1.4(И6)(С5)(С6)
Номиналы компонентов схемы, приведенные в табл. 1, были подобраны для 13-ваттной компактной флуоресцентной лампы, имеющей сопротивление катода в холодном состоянии порядка 4 Ом. Если используется лампа с другим сопротивлением катодов, то номиналы компонентов, определяющих частоту предварительного подогрева, должны быть изменены. Схема ПРУ была испытана при температуре окружающей среды от +25 до +105 °С и имела небольшие вариации рабочих характеристик.
Типы ИС, рекомендуемых для применения на различные напряжения питания и мощности флуоресцентных ламп, приведены в табл. 2.
1. Набор ИС драйверов для полумостовых схем включает Ш2101, Ш.2102, Ж2103, Ш.2104, Ж2151, Ш152, Ж2153, Ж2154. Используйте две последние цифры в маркировке ИС драйвера для замены символов «хх» в обозначении ИС ПРУ.
2. Буква «Н» в обозначении ИС ПРУ указывает, что гибридная схема содержит управляющую ИС драйвера и полумостовую ключевую схе-
Рис. 6. Напряжение на выходе полумостового ключа при отключенной лампе
Таблица 2
Тип ИС ПРУ Максимальное напряжение, В Сопротивление ключа ИС в открытом состоянии при 25 С, Ом Rds(on) Параметры лампы
^хН214, HD214 250 2,0 110 УАС, 5-15 Вт
^хН224, HD224 250 1,1 110 УАС, 15-25 Вт
^хН737, HD737 300 0,75 110 УАС, 25-35 Вт
^хН310, HD310 400 3,6 220 УАС, 5-15 Вт
^хН320, HD320 400 1,8 220 УАС, 15-25 Вт
IRxxH420, HD420 500 3,0 220 УАС, 10-20 Вт
