Электронная схема
Преобразователи для питания КЛЛ могут быть построены по различной схемотехнике, от вибропреобразователей до… Впрочем, не стоит забивать себе голову мудреными словами, практически все КЛЛ целевого диапазона выполнены по одной и той же концепции тысяча девятьсот махрового года – на резонансном полумостовом автогенераторе.
Причина? Не думаю, что денежная, микросхемы при крупносерийном выпуске быстро теряют в цене. Тогда что сдерживает развитие прогресса? Скорее всего, консерватизм мышления («схема работает, и никто не жалуется»), и отсутствие заинтересованности в повышении качества и времени работы устройства. Думаю, у вас уже сложилось собственное мнение по данному вопросу, а потому я скромно умолкаю и перехожу к «нашим баранам».
Чаще всего преобразователь выполняется по следующей топологии:
Здесь представлена неполная схема – отсутствует входной фильтр, подавляющий высокочастотные помехи, диоды для защиты транзисторов от обратного напряжения и прочие мелочи. В нормальных КЛЛ эти компоненты присутствуют, но речь идет о лампах бюджетного сегмента, а потому – что есть, то есть.
Схему можно разделить на следующие части:
- Входной выпрямительный узел (коричневый блок) – выпрямляет и сглаживает переменное напряжение сети 220 вольт, формирует постоянное напряжение около 280 вольт для питания преобразователя.
- Схема запуска (синий блок) – запускает автогенератор при включении устройства.
- Силовая часть (зеленый блок) – преобразует выпрямленное напряжение сети в переменное напряжение высокой частоты.
- Управляющий трансформатор TV1.
- Узел колбы (фиолетовый блок, совместно с дросселем L1) – согласует выход силовой части с колбой люминесцентной лампы.
Теперь несколько подробнее. Схема действительно весьма интересная, хоть и выглядит простой.
Напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается электролитическим конденсатором («С1» на представленной электрической схеме), напряжение с него обеспечивает работу силовой части. Оно подается на два ключа (Q1 и Q2) на биполярных транзисторах npn проводимости, которые преобразуют его в переменное напряжение и передают на узел согласования с колбой.
Вся конструкция электронного балласта – это автогенератор. Устройство работает на некоторой частоте, которая зависит от отдельных характеристик ряда компонентов. Я не собираюсь лукавить, действительно так и есть – работа автогенераторных схем зависит от массы характеристик и крайне неустойчива.
В нормальной схеме выделенный контроллер управляет силовыми ключами, и получаемые характеристики работы (частота, скважность) напрямую определяются из условий правильной работы люминесцентной лампы. Здесь же налицо «тупой» автогенератор, который просто работает и все. Впрочем, я несколько забежал вперед.
Забудем пока о лампе и цепи запуска, это отдельный разговор. Силовая часть состоит из двух ключей на транзисторах Q1 и Q2, управляемых трансформатором TV1, форма напряжения которого формируется от тока, проходящего через колбу, последний в свою очередь зависит от частоты и величины напряжения с выхода ключевых транзисторов Q1/Q2.
Он ее любил.Она съела кусок мяса, Он ее убил. В яму закопал, И надпись написал, Что: У попа была собака, и так далее.
Именно так и работает автогенератор, «сам от себя», и разорвать этот порочный круг нельзя. Налаживать такие устройства – проще сразу застрелиться, они или сразу работают или… хорошо, если не взрываются. Единственный способ разобраться в вопросе – это разделить устройство на части и анализировать их независимо.
При отладке так и поступают, цепь положительной обратной связи отключают, а на управляющий трансформатор подают сигнал с отдельного генератора. Если полениться и пойти простым путем с «просто включить», то кончится все хлопком и поиском очередной пары транзисторов.
Итак, силовые транзисторы Q1 и Q2 открываются попеременно, что обеспечивается полярностью обмоток управляющего трансформатора. Если положить, что на началах обмоток (отмечено точкой) в какой-то момент действует импульс положительной полярности, то на вход транзистора Q1 будет поступать положительное напряжение, а на Q2 – отрицательное.
Это означает, что транзистор Q1 будет открыт, Q2 закрыт, и на выходе сформируется уровень напряжения, близкий к напряжению питания (несколько меньше, на величину напряжения насыщения коллектор-эмиттер Q1). Если управляющее напряжение сменит знак, то аналогично сменится и состояние транзисторов – Q1 закроется, а Q2 откроется, таким образом на выходе установится низкий уровень, почти 0 вольт.
Значит, на выходе получается переменное напряжение с уровнями «ноль» – «все питание» и периодом, зависящим от управляющего сигнала, который формируется трансформатором TV1. В качестве задающей входной величины для него выступает ток нагрузки. Если предельно упростить силовую часть, то она будет выглядеть следующим образом:
Через правую обмотку трансформатора к выходу ключевого каскада на транзисторах Q1/Q2 подключена нагрузка, состоящая из дросселя L1 и лампы (с парой конденсаторов и терморезистором PTC). Это означает, что ток через лампу является той величиной, что задает форму сигнала, который в свою очередь включает транзисторы.
В данном «круге» обязательно должен быть элемент, определяющий рабочую частоту всего устройства, иначе устойчивое функционирование окажется невозможным. Для автогенераторного балласта КЛЛ таким ключевым элементом является резонансный контур из дросселя L1, конденсатора C4 и эквивалентного сопротивления лампы – классический вариант RLC контура.
Резонансная частота для данного построения зависит не только от величин реактивных компонентов (L1 и C4), но и от приведенного активного сопротивления лампы. Формула выглядит следующим образом:
Подробнее о резонансном контуре с последовательной и параллельной нагрузкой можно почитать в WikipediA. Хочется отметить важный момент – при уменьшении номинала сопротивления нагрузки происходит снижение резонансной частоты системы.
Подобное построение схемы будет обеспечивать работоспособность лампы, но ни о какой стабилизации не может быть и речи – устройство всегда будет стараться работать на резонансной частоте с максимальной отдачей. Это чересчур плохо, автоматическую регулировку вводить надо, но как?
Ставить датчик тока, формировать опорное напряжение и обрабатывать усилителем ошибки? Еще немного и до полного ШИМ-преобразователя можно дойти. Это будет здорово, только глупо – давно уже разработаны микросхемы преобразователей люминесцентных ламп, дублировать их на транзисторах – задача идиотская. Как выйти из ситуации?
Усложнение схемы приведет к ее нецелесообразности, и это при том, что такое построение «почти устраивает». И решение было найдено (причем очень давно), его успешно применяют в устройствах со схожим принципом действия. Идея состоит в том, что управляющий трансформатор изготавливают не с обычным сердечником из магнитомягкого материала (феррита), а используют материал с прямоугольной петлей гистерезиса перемагничивания.
Дабы не наводить тень на плетень сразу перейдем к следствию замены обычного ферромагнитного материала на «особенный». Критерием переключения служит энергия (которая вызывает напряженность магнитного поля в магнитопроводе). Как только энергия превышает порог, за этим сразу следует переключение.
Косвенно, на применение специального материала магнитопровода указывает соотношение числа витков – для нормальной работы «токового трансформатора» ток управления транзисторами должен быть примерно в десять раз меньше выходного тока, нельзя же загонять транзисторы в глубокое насыщение.
В данном случае первичная обмотка состоит из восьми витков, а «вторичные» из трех, что означает коэффициент трансформации 2.7 и явно меньше озвученной ранее цифры. Подстройка характеристик преобразователя осуществляется не только количеством витков, но и номиналами резисторов в базах и эмиттерах транзисторов.
По счастью, нам не придется рассчитывать или оптимизировать блок преобразователя, поэтому весь этот «дремучий лес» я с радостью пропускаю. Отметим главное – схема как-то работает, и влезать в нее точно не стоит, это конструкция «сама в себе» и простой модернизации не приемлет.
Ладно, с преобразователем немного разобрались, но этот автогенератор может работать только в том случае, если он «уже» генерирует. Если импульсов нет, то нет тока через управляющий трансформатор и, как следствие, нет сигналов на открывание транзисторов, система «спит».
Вернемся к первоначальной схеме. Блок запуска выделен синим прямоугольником, он состоит из резисторов R1 и R2, диодов D1 и D2, конденсатора С2. На этих элементах собран релаксационный генератор, работает он следующим образом: конденсатор С2 заряжается небольшим током через резистор R1 до напряжения пробоя динистора D2, обычно это около 30 вольт.
При открывании D2 конденсатор С2 разряжается через базу транзистора Q2, что создает импульс запуска преобразователя КЛЛ. Через очень небольшое время напряжение на конденсаторе уменьшается до величины, при котором динистор выключается и далее цикл повторяется – напряжение на конденсаторе снова будет медленно расти до включения динистора.
Запускающий импульс есть, зачем же нужен диод D1? Дело в том, что релаксационный генератор будет генерировать свои импульсы постоянно. Они хоть и редки, но могут совпасть с моментом открытого состояния верхнего транзистора, что приведет к дополнительному открыванию и нижнего транзистора.
В результате возникнет импульс тока большой величины через оба открытых ключа, подобный казус может закончиться только одним – сгоранием схемы. Таким образом, после выхода преобразователя в режим коммутации схему запуска надо блокировать от повторных попыток генерации, что и выполняется с помощью диода D1 – он разряжает конденсатор С2 в те моменты, когда транзистор Q2 открыт.
Остался резистор R2, и смысл его использования заключается в том, что он задает ненулевое напряжение на коллекторе транзистора Q2 (а точнее, на конденсаторе С3). Ну, сами посудите, какой смысл подавать запускающий импульс в базу нижнего транзистора, если на коллекторе нулевое напряжение и его включение никоим образом не скажется на состоянии других элементов. Резистор R2 гарантирует, что перед запуском напряжение на коллекторе «будет», в этом его смысл.
К слову, обычно подобных «фиксирующих» резисторов ставят не один, а два: первый – как изображено на схеме, второй – от коллектора Q2 на цепь «-» источника питания. Для полумостовой схемы вреден очень большой начальный импульс и применение пары резисторов позволяет снизить амплитуду в два раза. Впрочем, это мелочи.
Следующий элемент, на котором хочется остановить ваше внимание – узел сопряжения с лампой. Он состоит из конденсаторов С3 и С4, резистора R7 и самой лампы. Забудем на время о PTC, конденсаторе С3 и рассмотрим упрощенную схему блока лампы.
Под «V1» здесь понимается напряжение прямоугольной формы (меандр), которое создает узел преобразователя.
Для начала определимся с простым вопросом – что такое лампа? Это герметичная емкость с небольшим количеством ртути и заполненная инертным газом. По двум краям лампы установлены два катода прямого нагрева. К слову, его подогрев не обязательная функция, существуют разновидности люминесцентных ламп с «холодным» катодом (CCFL).
После возникновения разряда между катодами возникает ток, который течет по спирали нити независимо от того, подано ли напряжение на выводы накала. Это значит, что даже при закороченных выводах накала его нить будет горячей. Впрочем, вопросы работы катода пока можно опустить, важны лишь два момента, касающиеся установившегося режима работы:
- Накал всегда горячий, даже если его выводы закорочены.
- Ток лампы течет через нить накала.
С самим накалом пока закончим и обратим взор на баллон лампы. Обычно он выполнен в виде тонкой трубки, завитой причудливым образом («U» или «спираль»). В ее недрах образуется разряд, который и вызывает столь ценное нам свечение. Для получения разряда между катодами требуется приложить высокое напряжение, что вызовет пробой с последующим переходом в тлеющий разряд.
Пока оставим это здравое предположение под знаком вопроса и продолжим мысль дальше – а что произойдет, если преобразователь станет увеличивать напряжение на лампе? Больше напряжения – больше ток через нее, какие еще варианты? Проведем простую проверку – посмотрим ток через лампу.
Я не привожу картинку, ввиду ее явной очевидности – форма тока полностью повторяет форму напряжения, подаваемого на лампу. Что ж, пока все сходится. Но «увы», внимательное чтение документации приносит некоторый диссонанс. В частности, в app. note # 880 (THE L6569:
Из этого графика следует, что по мере увеличения тока через лампу напряжение на ней уменьшается. Гм. Диссонанс усиливается. В установившемся режиме на высокой частоте преобразователя форма тока через лампу характеризуется чисто активным видом, без реактивных составляющих, а по долговременному изменению режимов средняя величина тока весьма нелинейна.
Уменьшение напряжения при увеличении тока говорит об отрицательном внутреннем сопротивлении лампы, что явно подразумевает ее склонность к самовозбуждению. Впрочем, плазма в лампе уже находится в некотором режиме объемного колебательного процесса – наверняка вы замечали различные плавающие спрайты в ее теле. Весьма досадно, что график на рисунке ограничен столь малым диапазоном, 0.1-0.23 ампера.
Попробую предположить, что при снижении тока тенденция сохранится, но вот вопрос – будет ли она монотонной? Строить собственный преобразователь с регулируемыми характеристиками очень долгая история, можно обойтись обычной КЛЛ с автогенераторным преобразователем, но с одним дополнением – добавить регулятор величины напряжения питания.
Менять величину переменного напряжения хлопотно, тиристорные регуляторы вообще неприменимы, поэтому я воспользовался устройством плавной подачи напряжения, что длительное время используется у меня в комнате. Первоначально блок плавного управления напряжением замышлялся для снижения стресса включения КЛЛ при отсутствии в них предварительного прогрева и уменьшения неприятных эффектов резкого включения света в ночное время суток.
Уж не знаю, как это покажется вам, а я же наблюдаю несколько «рывков». Если посмотреть яркость в нескольких точках кадра и усреднить, то она будет меняться примерно следующим образом:
В начальный момент времени возникает разряд и начало свечения паров ртути, поэтому интервал до 200 мс не интересен, да и нет там ничего необычного. Но после 230 мс происходит резкое возрастание интенсивности с небольшой стабилизацией, после чего следует второй резкий скачок яркости.
Можно было бы свалить все на прогрев ртути и образование паров, вот только включение этой же лампы при номинальном напряжении питания не показывает никаких необычных явлений. Погодите, где-то уже встречалось нечто подобное… В первой части статьи рассматривался случай включения холодной люминесцентной лампы и на графике наблюдалась одна странность, которую я не смог тогда объяснить.
Обратите внимание на середину графика зеленого цвета. Ничего похожего не наблюдаете?
Объяснение этому феномену простое, и я с ним уже сталкивался – у плазмы несколько устойчивых состояний. В древние советские времена у нас разрабатывался малогабаритный карманный телевизор, мне поручили вопрос подсветки. Полных данных о характеристиках той лампы не сохранилось, но примерные цифры я помню – напряжение пробоя 800 вольт, лампа находится в этом режиме до 0.8 мА.
Таким образом, преобразователь подсветки можно было строить на 45 вольт, но с обязательным обеспечением проскакивания состояния «200 В». Или же остаться в режиме горения «200 В», но с риском свалиться в низковольтовый режим. Телевизор питался от батареек НКГЦ-045, а потому избыточной мощности взяться неоткуда, пришлось ограничиться не особо устойчивым, но маломощным вариантом.
К слову, пробовали и полноценный вариант, с обратноходовым преобразователем и накоплением энергии в конденсаторах, но конструкция получалась неудобной, да и советские конденсаторы не выдерживали работы при номинальном, но импульсном напряжении. Поставили обычный резонансный автогенератор, сейчас такое решение часто применяют в КЛЛ с питанием от 12 вольт. Впрочем, я отвлекся, извините.
Мораль сей басни такова – у плазмы в колбе есть «устойчивые» состояния, которые она может «занимать». Попробую предположить, что не только «занимать», но и переключаться между ними, коль скоро у нее отрицательное внутреннее сопротивление.
Подведем итог этого раздела – эквивалентное сопротивление лампы в режиме горения можно представить в виде резистора, только номинал этого «резистора» может принимать различные значения, в зависимости от величины тока через него.
Вернемся к схеме электронного балласта. Положим, схема работает, но за счет чего обеспечивается поддержание яркости свечения? Ранее высказывалось предположение, что стабилизирующую функцию выполняет особая конструкция управляющего трансформатора, который меняет длительность открытого состояния транзисторов, то есть рабочую частоту.
Дело в том, что между лампой и преобразователем стоит резонансный контур, образуемый последовательным дросселем и параллельным конденсатором. Эти элементы «поглощают» энергию преобразователя и формируют синусоидальное напряжение в нагрузке (то есть лампе), отдавая энергию в нее.
Возьмем некоторые «усредненные» параметры реактивных элементов для тестируемых ламп мощностью 15-25 Вт и сделаем симуляцию. При этом эквивалентное сопротивление лампы составит величину порядка 1 КОм, что позволит использовать ряд резисторов нагрузки и 1-2-4-8 КОм как характеристику работы системы в разных режимах горения.
Верхний рисунок показывает напряжение на лампе, нижний – ток через резонансный конденсатор.
Симулятор показывает результаты, сопоставимые с теоретическими выкладками – по мере снижения номинала резистора нагрузки также снижается резонансная частота, уменьшается напряжение, да и «резонансный» подъем становится меньше по величине (снижается добротность контура).
Если очень утрировать, то случай с небольшой нагрузкой (8 КОм, красный график) можно приравнять к начальной фазе включения лампы, ей характерно высокое напряжение. Однако обратите внимание на ток через резонансный конденсатор (нижний рисунок). Если нагрузка нормальная (1-2 КОм, салатовый-синий графики), то ток через него относительно небольшой.
Я не стал отмечать ток через сопротивление нагрузки, дабы не захламлять диаграмму. Для этих двух случаев ток через конденсатор меньше, чем через нагрузочное сопротивление. Если же номинал сопротивления повышать, то через конденсатор начинает протекать большой ток.
По симуляции выходит 0.92 ампера и 1.1 кВ, или 1 кВ*А. Термин «Вт» в данном случае не применим, мощность реактивная, а потому отмечается как «В*А». Понятно, что реальный преобразователь в КЛЛ не способен выработать такую мощность, даже на короткое время, но стрессовые условия функционирования обеспечены.
Такой случай (небольшая нагрузка) возникает в момент включения лампы, поэтому неудивительно, что электроника так «любит» взрываться именно в момент включения. В решениях с использованием микросхем этот стрессовое состояние смягчают управлением частоты, не позволяя выставить рабочую частоту строго на порог резонанса (режим «разогрева»), что увеличивает срок службы всего устройства.
И здесь отметим крайне важный момент – если на лампе высокое напряжение (в момент возникновения разряда), то это означает крайне большую реактивную мощность, протекающую через резонансный конденсатор. Понятное дело, что та же мощность циркулирует и в резонансном дросселе, но они не «мрут как мухи» в КЛЛ, что столь «свойственно» резонансным конденсаторам.
Ранее рассматривался хоть и упрощенный, но достаточно функциональный вариант электронного балласта. Однако существует и еще более «дешевый» вариант исполнения той же схемы. Основные узлы остаются прежними, «упрощению» подвергается узел запуска. Если в первом варианте за запуск отвечал специальный элемент (динистор), стоимость которого… я не знаю точно, сколько стоит одна спичка?
На первый взгляд, схема стала несколько проще, убрались компоненты из центральной части.
Вся схема представляет собой усилитель с положительной обратной связью выход-вход, а потому генерировать он просто обязан, проблема заключается лишь в запуске. В ранее рассмотренном варианте схемы за этот момент отвечал узел на динисторе, здесь же он отсутствует.
Для запуска используется перевод транзисторов из ключевого в слаботочный линейный режим работы. А именно, получается «как бы» обычный усилитель, который не может не возбудится. Для перевода транзисторов в усилительный режим необходимо обеспечить хотя бы небольшой ток коллектора в состоянии покоя, что осуществляется установкой резистора R1 между коллектором и базой транзистора Q2.
На рисунке представлен «упрощенный» вариант схемы с автозапуском, но существует и более «полный» вариант с переводом обоих транзисторов в усилительный режим. Впрочем, у него есть недостаток – приходится устанавливать большее количество деталей, а потому встречается реже.
Если сравнивать первый и второй вариант исполнения балласта, то можно отметить, что:
- Силовые компоненты одинаковые, различие проявляется только в момент запуска.
- Вариант с динистором характеризуется четким порогом напряжения включения преобразователя.
- Вариант с автозапуском не получил никаких четких границ и, потенциально, может никогда не включиться. Возможны проблемы с запуском при низких или высоких температурах, старении компонентов электронного балласта. Этот способ менее надежен – электролитические конденсаторы обладают явной тенденцией «высыхать» при высокой температуре.
Короче говоря, второй вариант явно хуже. И, что интересно, не обязательно дешевле – динистор заменяется электролитическим конденсатором, и кто из них меньше стоит?
Схемы с автозапуском отмечены в продукции торговой марки «GamBiT», поэтому я рассказал о существовании подобного схемного решения, а так… неприятно. Как разработчик аппаратуры, я крайне негативно отношусь к автогенераторным «штучкам» – они или работают или не работают, «и все».
А автогенератор с автозапуском – это уже предел. К слову, подобное схемное решение уже применялось серийно, вспомните компьютерные блоки питания АТ (не путайте с ATX!). В них для запуска оба транзистора в полумосте переводились в слабый активный режим, что облегчало возникновение генерации.
