Леонид Битно, Владимир Токарев, Юрий Битно

Что 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.

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 мощности — 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 MC34262: использованы быстрый диод 10BF60 производства IR, MOSFET-транзистор КП728Л (U= 500 В и R=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 MOSFET 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 c 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 MOSFET. В этой ситуации MOSFET компании IR последнего поколения не только стоят меньше своих пред- шественников, но и лучше работают. Из-за малых габаритов и низкой цены электронного балласта мощностью до 120 Вт мы использовали модель IRF420 в корпусе D-pak. 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 IR подробно описаны различные варианты их использования. Однако приведем данные по применению элементной базы. В выходных каскадах первых образцов своих электронных балластов мы применили высоковольтные MOSFET 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 MOSFET компании IR — IRFBE30 (800 В, 3,0 Ом). В результате опытно-промышленной эксплуатации этих балластов в течение двух лет мы получили следующий результат: IRFBE30 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.

Схема включения
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 Uвх=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

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.

market@sktbes.vrn.ru