Борис Омаров

Рекомендации по проектированию компактных пускорегулирующих устройств на базе микросхемы IR51H420

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.

Рис. 1

Функциональное описание

Принципиальная схема (рис. 1) построена на основе гибридного драйвера для ПРУ IR51H420, который включает в себя ИС IR2151 и два 500-вольтовых МОП-транзистора второго топологического поколения, включенных по полумостовой схеме. При входном сетевом напряжении, равном 120 В (клеммы AC1 — N), 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 IR51H420, но недостаточным для поддержания постоянной генерации. При таком ограничении мощность, рассеиваемая на резисторе R2, незначительна. Схема накачки заряда СЗН, состоящая из конденсатора C10 и диодов D5 и D6, включена так, что когда IR51H420 самовозбуждается, СЗН генерирует ток, повышая напряжение на управляющем выводе Vcc. В случае если флуоресцентная лампа отключена от схемы, разрывается цепь зарядки конденсатора C10. Это ведет к снижению напряжения на выводе Vcc схемы IR51H420. 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 IR51H420 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.

Рис. 2. Напряжение на катоде флуоресцентной лампы. Показано увеличение сопротивления катода в течение периода разогрева катода

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 происходит на частоте, близкой к резонансной частоте LC-контура, образованного индуктивностью L1 и конденсатором C9. 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 ступени 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.

Рис. 3. Ток через катод лампы (включение лампы, разогрев катода, горение лампы), масштаб 500 mA/дел. Показано что ток через катод практически не меняется до момента зажигания лампы, после чего он уменьшается

Изменение частоты осуществляется переключением конденсаторов, используемых для задания частоты генерации. Эти конденсаторы переключаются путем закорачивания их с помощью МОП-транзисторов, включающихся в различные моменты времени. Частота разогрева определяется по формуле :

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:

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.

Таблица 1

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

Типы ИС, рекомендуемых для применения на различные напряжения питания и мощности флуоресцентных ламп, приведены в табл. 2.

Таблица 2

1. Набор ИС драйверов для полумостовых схем включает IR2101, IR2102, IR2103, IR2104, IR2151, IR2152, IR2153, IR2154. 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 схему на МОП ПТ. Буквы «HD» указывают, что гибридная схема ПРУ содержит управляющую ИС драйвера, полумостовую ключевую схему на МОП ПТ и диод.

Рис. 5. Ток через лампу (включение лампы, разогрев катода, горение лампы) (масштаб 200 mA/дел). Показан ток через лампу в период разогрева катода и после зажигания

Фотографии осциллограмм в различных точках схемы приведены на рис. 2–6.

Рис. 6. Напряжение на выходе полумостового ключа при отключенной лампе

bomarov@glasnet.ru

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы