Рубрики
Электроприводы

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов Дмитрий Андреев В статье рассматривается микросхема IR2520, также решения на ее базе, такие как дешевые схемы

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов Дмитрий Андреев

В статье рассматривается микросхема IR2520, также решения на ее базе, такие как дешевые схемы с корректировкой коэффициента мощности для управления электрическими балластами.

Введение

В последние годы электрические балласты обычно строятся на базе спец управляющей микросхемы и силовых полевых транзисторов, по этому улучшается управление пуском, увеличивается надежность по сопоставлению со стандартными автоколебательными схемами на биполярных транзисторах. Все же, до сего времени автогенераторные схемы балластов выигрывают как по компактности устройства, так и по количеству применяемых частей.

После возникновения на рынке высоковольтной микросхемы IR2520 ситуация может поменяться.

Тут мы разглядим микросхему IR2520 более тщательно, в том числе новые решения на ее базе, такие как дешевенькие схемы с корректировкой коэффициента мощности, которые довольно отлично упрощают управление электрическими балластами.

Разглядим три разных схемных решения на базе предлагаемой микросхемы.

1. Маленький коэффициент мощности

Это предложение нацелено для дешевых маломощных приложений, таких как интегрированные электрические балласты для малогабаритных люминесцентных ламп. Ограничение по наибольшей мощности в 25 Вт дает возможность не согласовывать суммарное значение коэффициента нелинейных искажений (КНИ) и коэффициент мощности (КМ) и позволяет, не вводя корректировку КМ, уменьшить общее число частей в электрическом балласте, по этому сокращаются его габариты и стоимость. При всем этом КМ будет равен примерно 0,5 и КНИ около 100%.

2. Активная корректировка КМ балласта

Это решение предлагается для качественных массивных устройств. Большая часть таких устройств просит управления неизменным питающим напряжением, согласования высочайшего КМ и низкого КНИ с требованиями EN61000-3-2.

Традиционные решения употребляют дополнительные корректирующие индуктивности, дополнительные полевые транзисторы и спец микросхемы для корректировки. Это решение является более полным и позволяет изменяться входному напряжению в широких границах. В таковой конфигурации просто добиваться КМ более 0,9 и КНИ наименее 10%.

3. Пассивная корректировка КМ балласта

Это решение предлагается для обычных и дешевых приложений. В неких из их лучше иметь управляемое напряжение питания и высочайшее значение КМ, но традиционные решения употребляют для этого дополнительные индуктивности, полевые транзисторы и, может быть, микросхемы, которые могут существенно повысить цена конечного продукта. Наилучшее решение может быть при компромиссе цены и функциональности. Вероятные решения могут дать значения КМ более 85% и КНИ наименее 30%.

Ситуация на рынке до возникновения IR2520

На рис. 1 представлена обычная автогенераторная схема на биполярных транзисторах.

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 1. Автогенераторная схема на биполярных транзисторах

Этот подход довольно прост и естественен, но имеет много минусов. В схему необходимо включать динисторы либо дополнительные цепи для пуска, дополнительные назад включенные диоды, тороидальный трансформатор (довольно непростой для расчета насыщения, потому что результаты расчетов очень зависят от разброса характеристик материала сердечника — это тянет за собой трудности в настройке и установке частоты), также позисторы, обеспечивающие предпрогрев для роста срока службы лампы. Схема характеризуется отсутствием большинства защитных функций, предотвращающих нештатные ситуации при под-жиге либо горении лампы и ее выход из строя.

На рис. 2 представлена типовая схема электрического балласта с внедрением спец микросхемы IR2156 и 2-ух полевых транзисторов.

Это решение обеспечивает улучшенное управление запуском и поболее высшую надежность, чем автогенераторные схемы. Тут имеется предпрогрев нити для роста срока службы, защита при выходе лампы из строя и автоматический перезапуск при подмене лампы. Для схемы требуется 14-выводная высоковольтная микросхема и огромное количество дополнительных компонент (до 31 штуки), что наращивает стоимость и размеры устройства по сопоставлению с автоколебательным вариантом. Конкретно по этой причине в дешевых решениях для электрических балластов маломощных и линейных люминесцентных ламп более пользующимся популярностью остается внедрение автоколебательных схем, ежели схем со спец микросхемами и полевыми транзисторами.

Микросхема IR2520 была разработана с учетом многофункциональных недочетов дискретных автогенераторных схем электрических балластов и призвана их поменять. Не считая того, она может употребляться в высокоэффективных массивных схемах, значительно понижая габариты устройств и повышая надежность.

Новые подходы в IR2520

IR2520D предназначена для управления люминесцентными лампами. Микросхема содержит все нужное для предпрогрева, поджига и работы лампы в стационарном режиме, плюс защиту от повреждения лампы и защиту от пониженного сетевого напряжения, интегрированные драйверы для наружного полумоста на напряжение 600 В. Невзирая на большой набор функций, IR2520D имеет только 8 выводов. Микросхема выпускается в 2-ух вариантах: SO8 либо DIP8.

На рис. 3 представлена блок-схема IR2520D. Целью разработки было создание микросхемы, имеющей фактически полный набор функций, нужных для электрического балласта. Два вывода микросхемы — это напряжение питания и общий, еще четыре нужны для подключения осциллятора, и только два вывода остаются для контроля и управления.

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 3. Блок_схема IR2520D

Функции, обеспечивающие нормальную работу электрического балласта, могут быть разбиты на управляющие и защитные.

Управляющие: 1)высочайшая стартовая частота и предпрогрев

для роста ресурса лампы; 2)высочайшее напряжение поджига и программирование мощности, рабочих напряжения и тока. Защитные: 1)отключение при открытой накальной нити, при отсутствии лампы либо обрыве накаль-ной нити; 2)отключение при разрушении от удара либо

просто выходе лампы из строя; 3)защита от пониженного сетевого напряжения.

На рис. 4 представлены цепи, обеспечивающие в IR2520 управление частотой.

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 4. Цепи управления частотой в IR2520

В процессе запуска внутренний источник тока заряжает CVCO, и напряжение на выводе VCO начинает линейно расти. Осциллятор запускается с завышенной частотой, приблизительно в 2,5 раза превосходящей наименьшую. Частота плавненько понижается к резонансной частоте высокодобротного выходного каскада балласта. В процессе уменьшения частоты напряжение на лампе растет, что вызывает поджиг лампы. Если лампа зажглась, то напряжение на выводе VCO продолжает расти до величины внутреннего ограничения в 6 В. Частота перестает уменьшаться и остается на наименьшем уровне, задаваемом наружным резистором RFmin, присоединенным к выводу FMIN. Наружный конденсатор CVCO задает время предпрогрева.

Реализация защитных функций в микросхеме IR2520 представлена на рис. 5.

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 5. Реализация защитных функций в IR2520

Для подключения защитных цепей в микросхеме употребляется вывод VS. Сопротивление полевого транзистора нижнего плеча в открытом состоянии RDSon употребляется в качестве резистивного датчика тока, а VS вывод служит для детектирования тока. Таковой подход исключает необходимость использования высокоточных специализированных резисторов. Интегрированный 600-вольтовый полевой транзистор подключает вывод микросхемы VS к датчику и позволяет проводить измерения в течение времени, когда на вывод LO подано напряжение и нижний транзистор наружного полумоста (MLS) включен.

Электрический балласт с низким КМ

На рис. 6 представлена обычная схема электрического балласта, реализованного на микросхеме IR2520. Схема создана для управления малогабаритными люминесцентными лампами мощностью до 26 Вт от сети переменного тока 220 В.

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 6. Обычная схема электрического балласта, реализованного на IR2520

Представленная схема поддерживает все нужные функции, такие как предпро-грев, поджиг и поддержка стационарного режима работы лампы, также имеет фильтр электрических помех и выпрямитель. Ядром, на базе которого строится электрический балласт, является микросхема IR2520. Она поддерживает регулируемое время пред-прогрева, высшую стартовую частоту для плавного запуска, управляемую рабочую частоту, защиту от включения при выходе лампы из строя, защиту от снижения сетевого напряжения, перезапуск при устранении повреждений лампы. Ограничения для данной конфигурации: маленький КМ (около 0,6) и высочайший КНИ (>100%).

На рис. 7 представлено напряжение на лампе (желтоватый график) и ток индуктивности LRES (зеленоватый график) в режимах старта, предпро-грева, поджига и в рабочем режиме. На рис. 8 представлены напряжение на VS (голубий график), на лампе (желтоватый график) и ток лампы (зеленоватый график) в рабочем режиме.

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 7. Напряжение на лампе (желтоватый график) и ток индуктивности LRES (зеленоватый график) в режимах старта, предпрогрева, поджига и в рабочем режиме
IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 8. Напряжение на VS (голубий график), на лампе (желтоватый график) и ток лампы (зеленоватый график) в рабочем режиме
Качественный электрический балласт

Для применений, требующих высочайший КМ и маленький КНИ, в устройство нужно добавить схемы корректировки коэффициента мощности. На рис. 9 представлена схема, обеспечивающая высочайший КМ (>0,9) и маленький КНИ (<10%).

Предлагаемое решение содержит фильтр ЭМП, активный корректор КМ, цепи управления и резонансный выходной каскад. Входные цепи, корректирующие КМ, поддерживают управляемое напряжение питания на определенном уровне (порядка 400 В неизменного тока). Схемы управления обеспечивают регулирование частоты стандартного резонансного выходного каскада RLC, что дает возможность без усилий приспособиться к разным типам ламп. Таковой подход лучше других решений и ограничивается по мощности только наибольшим током через полевые транзисторы полумоста, отвечая при всем этом требованиям EN-61000-3-2.

Пассивная корректировка КМ

Реализация разработанного и тестированного 14-ваттного балласта для люминесцентных ламп представлена на рис. 10.

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 10. Балласт для люминесцентных ламп мощностью 14 Вт

Устройство управляется микросхемой IR2520, поддерживающей предпрогрев лампы, поджиг, рабочий режим и главные защитные функции.

На рис. 11 представлено напряжение питания (желтоватый график), ток (голубой) и напряжение на лампе (зеленоватый).

IR2520 — новые способности в области разработки электрических балластов
Рис. 11. Напряжение питания (желтоватый график), ток (голубой) и напряжение на лампе (зеленоватый)
Рекомендуемая процедура расчета

Резвый и удачный способ выбора компонент и их значений в каждом определенном случае можно произвести при помощи Ballast Design Assistant (BDA) — программки, разработанной компанией International Rectifier. Эту программку можно скачать с веб-сайта www.irf.com. Программка поддерживает микросхему IR2520 и позволяет высчитать ориентировочные значения всех наружных резисторов и конденсаторов. Эти значения могут быть применены при разработке макета. В предстоящем значения компонент уточняются при лабораторных испытаниях.

Разработка балласта на базе IR2520 очень ординарна, потому что употребляются только две контрольные точки: вывод VCO и FMIN. Для конфигурации (роста) мощности довольно поменять RFMIN, CVCO, LRES и CRES, проверить индуктивность и полевые транзисторы на способность работать с требуемыми для новейшей лампы токами.

Для маломощных решений довольно уменьшить RFMIN и, в неких случаях, поменять CVCO, LRES и CRES. Почти всегда может быть внедрение более слаботочных полевых транзисторов и индуктивностей.

Вывод микросхемы FMIN соединяется с общим выводом через резистор RFMIN. Величина этого сопротивления задает наименьшую частоту Fmin и стартовую частоту (приблизительно 2,5 Fmin) микросхемы.

VCO подсоединен к общему выводу через конденсатор (CVCO). Величина емкости этого конденсатора задает время, за которое частота понижается с наибольшей (2,5 Fmin) до малой (Fmin), она же оказывает влияние и на изменение времени предпрогрева.

Предлагаемая процедура проектирования смотрится так:

  1. Используя Ballast Design Assistant (BDA) рассчитываются LRES, CRES, RFMIN и CVCO. Избрать конфигурацию с корректировкой коэффициента мощности (КМ) либо без него. Избрать IR2520.

Избрать лампу, для которой разрабатывается электрический балласт из предлагаемой базы данных по лампам либо ввести вручную характеристики для новейшей лампы, вызвав опцию «Advanced».

Высчитать рабочую точку и избрать надлежащие значения L и C, удовлетворяющие последующим условиям:

    • Рабочая частота (более подходящий спектр 40-50 кГц).
    • С — с мало вероятными потерями (рекомендуемая величина 4,7 нФ).
    • L из доступных значений.
  1. При измерении LO к выводам VCC и COM прикладывают 15 В и настраивают величину RFMIN для получения малой частоты, которая должна быть равна рабочей частоте, приобретенной в BDA. Повышение RFMIN тянет за собой уменьшение малой частоты и напротив.
  2. Подать переменное напряжение на вход и проверить предпрогрев, поджиг и запуск лампы.
    • Если микросхема работает при частоте, большей, чем Fmin, необходимо прирастить CRES и LRES для уменьшения резонансной частоты.
    • Если VCC снизилось, прирастить номинал CSNUBBER.
  3. Подстроить величину RFMIN для согласования мощности (прирастить RFMIN для роста мощности и напротив, для уменьшения мощности уменьшить RFMIN), установить правильное время предпрогрева, беря во внимание, что повышение CVCO тянет за собой повышение времени предпрогрева.
  4. Подобрать значение RSUPPLY для пуска при обычном сетевом напряжении (повышение RSUPPLY тянет за собой пуск микросхемы при более высочайшем сетевом напряжении).
  5. Тестирование срока службы лампы (число включений). Высококачественная разработка гарантирует само мало 5000 включений (пусков). Для роста срока службы лампы следует прирастить CRES либо время предпрогрева (CVCO).