Электронный
балласт для люминесцентных ламп на
IR21571
Данный электронный балласт предназначен для ламп
дневного света мощностью 18W группы
T8
Введение:
Свет в нашей жизни имеет первостепенное значение, а от того, как грамотно освещено наше рабочее место или место отдыха зависит, как нам комфортно будет работать или отдыхать.
Освещение лампами дневного света имеет ряд преимуществ:
1. КПД ламп дневного света (ЛДС) самый высокий из широко распространенных источников света.
2. Освещение лампами дневного света не имеет теней, что присуще новомодным “точечным светильникам” и лампам накаливания, а ведь именно тени как контрастный переход между освещенными и неосвещенными участками, приводят к быстрой утомляемости нашего зрения.
3. Даже применяя лампы дневного света надо знать, как это правильно сделать. Ведь 90% пускорегулирующей аппаратуры, которая выпускается в данный момент, имеет простые и, как следствие, дешевые электромагнитные балласты. И все бы ничего, но при переходе переменного напряжения через “0” лампа дневного света успевает сильно снизить интенсивность светового потока, чего не происходит у ламп накаливания за счет инерционности остывания вольфрамовой нити. Это приводит к тому, что 100 раз в секунду происходит “моргание” лампы дневного света. Глаз “почти” не видит этого мерцания, но биение мерцания ЛДС с телевизорами, вращающимися деталями машин приводит к быстрой утомляемости и повышенному травматизму – в последнем случае из-за стробоскопического эффекта, при котором “кажется”, что вращающаяся деталь неподвижна. По этой же причине страдает общая освещенность, т.к. время горения не намного превышает время послесвечения люминофора ЛДС. Отсюда вывод: ЛДС надо питать переменным током высокой частоты.
4. Современные ЛДС, с низким содержанием паров ртути, требуют к себе другого “обращения” по сравнению с ЛДС, выпущенными в “советские времена”. Современным лампам нужен нормированный по току и времени режим подогрева нитей накала для возникновения первичной эмиссии электронов, розжига и рабочего режима (рис. 1), в противном случае срок службы заметно уменьшается от реально достижимых 20000 часов.
Рис 1.
5. Экономия электроэнергии как не последний фактор: вместо 2-х ламп накаливания по 100 Вт вполне достаточно 2 лампы дневного света по 18 Вт. Пример: кухня 9 м^2 освещена 2х18 Вт ЛДС, дополнительной подсветки нигде не требуется – экономический эффект от смены ламп накаливания на ЛДС предлагаю подсчитать самим.
Рассматриваемый в данной статье электронный балласт предназначен для ламп дневного света мощностью 18 Вт группы T8 по международной классификации (российский аналог: ЛБ 18 (ЛД, ЛДЦ, и т.д.)).
При выборе контроллера электронного балласта учитывались такие критерии, как цена контроллера, его функциональность, минимум обвязки.
По этим критериям была выбрана микросхема IR21571, фирмы International Rectifier.
Используя и анализируя материалы [2-7], была разработана схема, которая отличается от схемы, выдаваемой программой Ballast Designer [8], мелкими косметическими доработками и наличием диода VD5, который отсутствует в оригинале, что приводило к неправильной работе схемы.
Отличительные особености МС IR21571:
1. Программированная защита балласта в конце срока службы лампы
2. Отключение по перегреву
3. Программируемая защита от гашения лампы вследствие старения (brown out)
4. Программируемая защита от перегрузки по току
5. Защита от перехода в емкостной режим работы
6. Авторестарт
7. Микромощный режим потребления при старте
8. Внутренняя защита диодом Зенера от низкого напряжения питания
9. Программируемое “мягкое” изменение частоты при старте
10. Программируемое время подогрева
11. Программируемая частота подогрева
12. Программируемое время поджига
13. Программируемая частота поджига
14. Программируемая частота запуска рабочего режима
15. Программируемая пауза переключения транзисторов полумоста
Схема:
По приведенной схеме (рис. 2) и печатной плате были собраны 25 электронных балластов:
Изготовленные балласты пошли на замену штатных, которые были установлены в светильниках COMTECH LINE 818*3*01 и прочих,
купленных в разное время для освещения всей квартиры, рассчитанных как на одиночную лампу, так и на 2 лампы по 18 Вт.
(Штатные электронные балласты, установленные в этих светильниках, имеют сильно упрощенное схемное решение,
которое не обеспечивает правильного розжига ЛДС, приводящего к холодному старту лампы (Cold start),
вследствие чего – резкое старение ЛДС.)
К слову сказать, широко распространенные лампы “компакт”,
которые вкручиваются в стандартный патрон, имеют такую же сильно упрощенную схему розжига – это обстоятельство
приводит к тому, что ожидаемый срок службы оказывается не намного больше, а то и меньше ламп накаливания.
Учитывая все эти нюансы, мною было принято решение о смене освещения во всем доме на ЛДС с электронным балластом, описываемом в этой статье.
На каждую лампу используется один электронный балласт. Тип применяемых ламп определили такие параметры, как размер, распространенность на российском рынке, цена, вкусовые предпочтения.
Рис 2.
Здесь можно скачать более качественную схему в формате pdf.
Здесь можно скачать схему в формате P-CAD 2001
Здесь можно скачать в формате .pdf разные слои печатной платы
Здесь можно скачать печатную плату в формате P-CAD 2001
Сравнение:
Несколько причин, почему выгодно применять электронные балласты вместо электромагнитных:
Классические электромагнитные пускорегулирующие аппараты имеют известные недостатки:
- мерцание с частотой 100 Гц (лампа питается переменным напряжением низкой частоты и при переходе сетевого напряжения через “0” газ успевает деионизироваться, что воспринимается глазом как характерное мерцание);
- нестабильность освещенности при колебаниях напряжения сети;
- громоздкий дроссель и ненадежный стартер, а вышедший из строя стартер вызывает фальш-старт лампы (визуально – несколько вспышек перед стабильным зажиганием), в свою очередь, фальш-старт резко снижает срок службы люминесцентной лампы;
- повышенный уровень шума;
- низкий коэффициент мощности.
Эти недостатки не позволяют в полной мере раскрыть все возможности освещения с использованием люминесцентных ламп. А они довольно значительные по сравнению с классическими лампами накаливания – гораздо более высокий КПД (прямая экономия денежных расходов на электроэнергию); приближенный к естественному спектральный состав света, особенно при использовании ламп нового поколения с трех- и пятислойным люминофором; повышенный срок службы [5].
Устранить эти недостатки и получить дополнительные возможности энергосбережения позволяют электронные балласты (электронные пускорегулирующие аппараты – ЭПРА). Современные электронные балласты обеспечивают:
- мгновенное (без мерцания и шума) зажигание ламп;
- комфортное освещение (приятный немерцающий свет без стробоскопических эффектов и отсутствие шума) благодаря работе в высокочастотном диапазоне (20...100 кГц);
- стабильность освещения независимо от колебаний сетевого напряжения;
- отсутствие миганий и вспышек неисправных ламп, отключаемых электронной системой контроля неисправностей;
- высокое качество потребляемой электроэнергии – близкий к единице коэффициент мощности благодаря потреблению синусоидального тока с нулевым фазовым сдвигом.
Электронные балласты являются достаточно дорогими устройствами, однако начальные затраты компенсируются их высокой экономичностью, которая характеризуется:
- уменьшенным на 20% энергопотреблением (при сохранении светового потока) за счет повышения светоотдачи лампы на повышенной частоте и более высокого КПД ЭПРА по сравнению с классическими электромагнитным ПРА;
- увеличенным на 50% сроком службы ламп благодаря щадящему режиму работы и пуска;
- снижением эксплуатационных расходов за счет сокращения числа заменяемых ламп и отсутствия необходимости замены стартеров;
- дополнительным энергосбережением до 80% при работе в системах управления светом.
Лампы, на которых, после длительных экспериментов и проб, я остановил свой выбор: PHILIPS MASTER TL-D Super 80 18W/840 SLV – высокая цветопередача, цветовая температура – 4000К, световой поток – 1350 лм, класс А (самый экономичный); PHILIPS MASTER TL-D Reflex Super 80 18W/840 SLV – высокая цветопередача, цветовая температура – 4000К, световой поток – 1350 лм, класс А (самый экономичный), а также внутренний отражатель, что позволяет применять эту лампу в светильниках без отражателя.
Согласно документации от производителя, срок службы лампы сильно зависит от способа запуска лампы (рис. 5). Из графиков [9] видно, что холодный старт (Cold start) резко сокращает срок службы лампы (это в случае применения упрощенных электронных балластов, которые резко выводят ЛДС в рабочий режим.) Можно добавить, что модный некоторое время назад способ питания лампы постоянным током также резко снижает срок службы ЛДС [6].
Старый добрый запуск лампы через электромагнитный дроссель зачастую обеспечивает заявленный производителем ресурс работы лампы в 10000 часов или год с лишним непрерывной работы (induc), но имеет недостатки, перечисленные выше.
И только электронный балласт (warm start) с правильно запрограммированными режимами подогрева, розжига и перехода в рабочий режим (рис.1) может продлить срок службы лампе дневного света.
Конструкция и детали
Входной фильтр – фирмы Epcos B82722-A2102-N1(по каталогу Epcos).
Все резисторы с неуказанной мощностью на схеме типоразмера 1206;
указанной (R5, R6, R10, R11) – типа МЛТ 0,25 (на них падение напряжения составляет 300 В, применять чип-резисторы в этой цепи опасно из соображений пробоя).
Конденсаторы с указанным явно напряжением 25 В – типоразмера 1206, остальные керамические с предельным напряжением 630 В (желательно), кроме C17 – здесь применение конденсатора с напряжением пробоя ниже 1500 В опасно.
(Именно этот недостаток замечен в дешевых, безымянных балластах и лампах «компакт» фирмы Comtech: применяемый конденсатор на 400В в аналогичной цепи запуска, выгорает до выводов, что приводит к порче ключевого транзистора, диодного моста, предохранителя и балласта в целом).
Выходной дроссель можно использовать со старого балласта лампы “компакт”, рассчитанного на лампу 18…23 Вт – в большинстве случаев в них применены индуктивности на требуемые 2,2…2,3 мГн (зачастую это промаркировано).
Выходной дроссель также можно собрать самому , для этого надо купить (по каталогу Epcos) :
1.
B66317-G100-X127, ферр.N27 E25/13/7 - 2шт. х 0,5$~1$ (требуемый зазор в сердечнике будет обеспечен конструктивно)
2.
B66208-A1110-T1, каркас E25/13/7 37р 1шт.~ 1$
3.
B66208-A2010, стяжка E25/13/7 - 2шт. - ~0,3$
на каркас намотать чуть больше 247 витков ПЭВ-0,2 для того, что бы после сборки отмотать для уточнения индуктивности.
Размер платы – 150х24 мм, печать не делалась по экономическим соображениям, весь монтаж велся луженым проводом ~0,8 мм.
01.09.2009 Небольшое дополнение.
Ко мне периодически поступают письма с вопросами по ремонту дешёвых электронных балластов,
собранных на 2-х транзисторах, которые устанавливают в лампы "Компакт" и др. производства Китай,
например такой:
Очень хороший материал, рассказывающий о характерных проблемах, методах ремонта, диагностики я нашёл на странице
РадиоЛоцман
Рекомендую, для нахождения информации о ремонте данных изделий,
обратиться на эту страницу.
Литература, ресурсы
1. Документация на микросхему IR21571 на английском языке
2. International Rectifier
3. Ю. Давиденко. Проектирование электронных пуско-регулирующих аппаратов для люминесцентных ламп. - Радио, №7/2004, с. 41.
4. Документация на микросхему IR21571на русском языке
5. В. Широков. Компактные электронные люминесцентные лампы: выбираем, применяем, ремонтируем... - Радиохобби, №3/2001, с. 48…52.
6. А. Лушников. Почему нельзя использовать конденсатор в качестве балласта для ЛДС
7. В. Башкиров. IR21571 – контроллер электронных балластов нового поколения
8. Программа для расчёта электронных балластов
9. документация на лампы PHILIPS
10. Интернет магазин радиодеталей и электронных компонентов
01.01.2006 г. При перепечатке ссылка обязательна!
P.S. Люминесцентные лампы и их характеристики (часть3)
Работа люминесцентных ламп на постоянном токе
При включении люминесцентных ламп в сеть постоянного тока имеет место ряд явлений, которые вносят определенные особенности в их работу; схемы включения ламп в сеть отличаются от вышерассмотренных схем переменного тока.
При питании ламп постоянным током полярность электродов остается неизменной, поэтому электроды лампы работают в неодинаковом режиме: электрод, являющийся анодом, перегревается, и для сохранения необходимого срока службы лампы требуются различные конструкции анода и катода. Но на практике такие лампы почти не выпускаются и нужно использовать стандартные. А для стандартных ламп приходится время от времени проводить переполюсовку ламп, чтобы износ электродов происходил равномерно.
Кроме того, при работе ламп на постоянном токе наблюдается явление катафореза, связанное с тем, что положительные ионы ртути под действием электрического поля в процессе работы лампы перемещаются к катоду, в результате анодный конец лампы обедняется ртутью. У катода положительные ионы ртути нейтрализуются, превращаясь в атомы ртути, и излишняя ртуть конденсируется на стенках трубки. В рабочем режиме плотность паров ртути по длине трубки получается неодинаковой, яркость свечения лампы уменьшается, и через несколько десятков часов работы лампы ее яркость может уменьшиться вдвое. Появление катафореза тоже вынуждает проводить переполюсовку через определенные промежутки времени.
В качестве балласта при питании ламп постоянным током применяют активное сопротивление либо в виде резистора, либо в виде лампы накаливания. Напряжение на активном балласте равно разности между напряжением сети и рабочим напряжением на лампе. Поэтому потери мощности в балласте могут в 1,5-2 раза превышать мощность лампы, по этой причине этот способ стабилизации лампы оказывается экономически невыгодным. Применение балластной лампы накаливания улучшает общую экономичность комплекта за счет дополнительного светового потока, созданного лампой накаливания.
При использовании в цепи постоянного тока стандартной люминесцентной лампы для сохранения ее светового потока на уровне, который она имела при питании на переменном токе, рабочий ток лампы должен быть уменьшен на 10-20% по сравнению с током при работе на переменном напряжении.
Требования к предварительному подогреву электродов лампы и обеспечению определенного уровня напряжения холостого хода ПРА для зажигания лампы остаются примерно аналогичными, как и для переменного тока. Для исключения холодных зажиганий ламп подача поджигающего импульса должна производиться при достаточно прогретых электродах. В отличие от работы лампы на переменном токе при использовании для образования зажигающего импульса дросселя на размер импульса не влияет момент переключения схемы с режима предварительного подогрева на рабочий режим, так как в дросселе протекает постоянный по времени ток. Сопротивление дросселя определяется только его активным сопротивлением.
