Электронный балласт для люминесцентных ламп на микросхеме IR2151

Сразу обращаю Ваше внимание на то, что в данной схеме применяются высокие напряжения, поэтому не рекомендую заниматься самостоятельным изготовлением подобных устройств. О преимуществах электронного балласта можно говорить много. Это и быстрое зажигание, и ровное горение, и долговечность лампы. И что самое главное, на мой взгляд, это возможность получить от лампы то, что хочешь. Я преследовал цель зажечь её как можно ярче. Так как светимость лампы при работе на повышенных токах несколько выше, чем при номинальных, а стоимость российских ламп чрезвычайно мала, я решил сделать устройство для создания таких режимов.

Принцип такого устройства прост. Всё тот же дроссель, включенный последовательно с лампой, и переменное напряжение, поданное на эту цепь. Дроссель выполняет роль реактивного сопротивления, то есть ограничивает ток в цепи лампы. Без такого сопротивления после пробоя газового столба в лампе сопротивление лампы стремительно падает, а ток, в свою очередь, начинает расти лавинообразно. Понятно, что в какой-то момент происходит просто КЗ (короткое замыкание), и либо сгорают предохранители, либо взрывается лампа. При наличии дросселя (читай сопротивления) ток не может вырасти выше того, который разрешен этим дросселем. И, что самое интересное, чем выше частота, поданная на эту схему, тем меньше по размерам может быть дроссель, и меньше на нем выделяется тепла, а следовательно меньше потерь. То есть основной задачей и является создание напряжения на необходимой частоте, и правильный подбор (в зависимости от типа лампы) индуктивности дросселя и емкости конденсатора. Мой вывод такой: работает без проблем, но НЕ при токах, близких к максимальным. Максимальной (и оптимальной) нагрузкой схемы лучше считать мощность 2*40 вт. При подключении 2*18 лучше подключать лампы последовательно на один канал. Это позволяет уменьшить ток нагрузки. 4*18 лучше не подключать совсем. Не смотря на не превышение мощности, запуск становится неуверенным, и возможна работа схемы в неподходящем для неё режиме. Кроме того, нет возможности регулировки яркости. Для тех, кому интересно как можно сделать такое устройство, вот ссылка на сайт, где вместе с комментариями лежит технология изготовления такого балласта. Электронный балласт - как это собиралось, запускалось и работало. Технологию настройки, как я уже сказал можно посмотреть ниже.

Следующим, и правильным моим шагом был выбор микросхемы IR2151 Datasheet – описание микросхемы на сайте производителя. http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-995a.pdf типовые схемы включения. Всё хорошо и подробно описано, однако и ошибок тоже хватает.

В общих чертах для тех, кто не очень силен в английском языке. Схему я собирал по «Figure 3». Из ошибок: между полевыми транзисторами, на пересечении с выводом, идущем от 6 ноги микросхемы нужна «точка».

Принципиальная схема.

Схему делал на 220 в, поэтому из входного выпрямителя оставил только диоды (пробовал и те, что на схеме, и просто импортные выпрямительные мосты), на выпрямленное напряжение поставил конденсатор 47 мкф * 350 в.

Суть проста: внутри микросхемы есть свой стабилизатор напряжения на 15в, запитанный через резистор на 91 кОм. Обязательно мощность резистора не менее 0,5 вт. Конденсатор сглаживает пульсации. Это питание микросхемы. Резистор сежду 2 и 3 ногой, и конденсатор между 3 и 4 ногой задают частоту генерации ~45 кГц. На выходах 5 и 7 формируются сигналы в виде прямоугольников, находящихся в противофазе. Они управляют открытием и закрытием полевых транзисторов.

НОМИНАЛЫ: Между 3 и 4 ногой микросхемы конденсатор на 1 нф. Параллельно пусковым конденсаторам ламп подключен позистор. Имеет низкое начальное сопротивление, и высокое конечное. Ускоряет нагрев нитей накала, и облегчает запуск схемы. Есть почти во всех телевизорах, через нее включается петля размагничивания маски кинескопа. Не нашел в продаже, потому убрал из схемы. Конденсаторы между нитями накала на 1,5 нф на 1600в. Индуктивность катушек L2, L3 0,95 мГн. При этих значениях емкости и индуктивности ток через лампу составил 0,41 А, и следовательно мощность лампы 42 вт. Диод между 1 и 8 ногой я поставил импортный высокочастотный HER157, можно заменить на КД243Г, предполагаю, что есть и другие аналоги. Из транзисторов пробовал IRF720, IRF730, IRF820, IRF 830. Всё остальное как на схеме.

Теперь о дросселях.
Сердечники я выбрал 5*5 с наружным размером 20 мм и проницаемостью 2000. Мотал на картонной основе проводом 0,25 мм четыре слоя по 20 витков (всего 80 витков) с межслойной изоляцией около 0,3 мм (картон от визитки). Толщину зазора выставлял просто газетной бумагой (2 слоя). Такой дроссель имеет индуктивность 0,89-0,95 мГн. Соответственно можно скорректировать индуктивность количеством витков. Зависимость прямо пропорциональная. Практически измеренная зависимость индуктивности от толщины зазора в самом конце документа. Лучше выбирать минимальный зазор, что позволит уменьшить количество витков. Себестоимость деталей и платы балласта 2*40 вт без проводов и патронов составила 140 руб.

ОЧЕНЬ ВАЖНО: диод между 1 и 8 ногой должен быть как можно ближе к микросхеме. Длинна проводников между выводами драйвера, резисторами и затворами полевых транзисторов должна быть минимальной. Эти резисторы у меня пару раз они оказывались не в номинале (отличались очень сильно), и в результате я «сжег» несколько транзисторов и микросхем. Сейчас я обязательно проверяю их прибором. Транзисторы я размещаю на радиаторах. Хотя они греются только во время настройки.

Печатная плата.

НАСТРОЙКА: Итак, схема спаяна (ГЛАВНОЕ НЕ УСТАНАВЛИВАТЬ перемычку на подачу высокого напряжения к полевикам), очищена от канифоли или флюса, визуально проверена на правильность сборки (диоды и конденсаторы имеют правильную полярность, правильно установлены транзисторы, схема хорошо пропаяна, и нигде нет подтеков или перемычек из олова). С рабочего стола убран весь мусор, лишние детали, обрывки проводов, лишний инструмент. Пока что можно не подключать люминесцентную лампу. Включаю схему в электрическую сеть 220 вольт. Настройку можно разделить на несколько этапов. Межу этапами я ОБЯЗАТЕЛЬНО выключаю схему из розетки.

1. После включения схемы в электрическую сеть измеряю напряжение на 1 выводе микросхемы. Оно должно быть 15 В.
2. Измеряю при помощи осциллографа формы сигнала на затворах транзисторов. Именно на затворах, а не на выходах микросхемы, т.к. из-за неисправных резисторов или транзисторов при подаче высокого напряжения могут возникнуть большие проблемы. Форма сигнала выглядит как «чистые» прямоугольники размахом 15 В в противофазе с «не перекрытием» сигналов ~10%. Это очень хорошо видно на двухканальном осциллографе. Лучше подпаять щуп осциллографа к затворам при выключенной схеме, иначе можно «сжечь» всю схему.
3. Подключаю ОДНУ люминесцентную лампу. Вместо перемычки для подачи высокого напряжения подключаю лампу накаливания на 40 вт.
4. При включении схемы в электрическую сеть происходит два события. Сначала происходит пробой газового столба в люминесцентной лампе (это видно по вспышке), затем начинает работать цепь «предохранительная лампа – колебательный контур (конденсатор и дроссель)». Вот здесь и необходимо найти равновесие. Первоначальная вспышка должна быть достаточно сильная, а свечение предохранительной лампы должно быть не ярче, чем в треть накала. Неяркое свечение этой лампы показывает, что параллельно с основной цепью (дроссель – люминесцентная лампа) существует и «паразитная» цепь, необходимая для запуска. К сожалению, отказаться от этой цепи нельзя. При наличии возможности измерить и подобрать индуктивность дросселя, необходимое значение конденсатора следует подобрать в резонанс по 3 гармонике от рабочей частоты (135 кГц) (для обеспечения эффективной работы лампы индуктивность должна быть 1,24 мГн, емкость 1,12 нф.) Это позволит гарантировать надежный запуск, минимальные потери и нагрев при работе. Если же лампа накаливания загорелась в полный накал, значит что-то в цепи не в порядке. Самым невероятным при более-менее правильном соблюдении указанных номиналов емкости и конденсаторов попадание «в резонанс». Элементарное, незначительное изменение номинала конденсатора должно изменить ситуацию. Иначе неисправность в чем-то другом. Это или нерабочие транзисторы, или неисправный дроссель. Первым признаком Исправности транзистора является нормально «прозваниваемый» обычны тестером p-n переход между стоком и истоком транзистора. «Прозвонка» или «непрозвонка» в обе стороны однозначно указывает на неисправность транзистора. Неисправность же дросселя может заключатся в элементарном пробое изоляции между витками, или даже слоями. Этого не видно, и определяется экспериментальной заменой дросселя. Пробитый дроссель однозначно подлежит замене.

!!! В любом случае лампа накаливания позволяет не «сжечь» остальные детали.

После предварительной настройки «нагрузки» я заменяю лампу накаливания 40 вт на 100 вт. И снова включаю схему в розетку. Сейчас должно быть всё как в реальной жизни. Люминесцентная лампа должна «вспыхнуть» и «загореться». Лампа накаливания должна совсем слегка светится. Выключение схемы из розетки и включение обратно через короткое время несколько раз подряд позволяет убедиться в надежном запуске схемы и в исправности всех деталей, особенно дросселя. В автогенераторной схеме (описано выше) это очень важный момент, т.к. там запуск происходит принудительно путем пробоя «столба» импульсом высокого напряжения. Без такой проверки я «сжег» достаточное количество транзисторов. И надо вознести множество похвал Андрею Пестрякову за такой совет.

Затем первая люминесцентная лампа выключается, подключается вторая, и процесс настройки начинается заново. И только после настройки обоих ламп, они подключаются вместе, снова проводится включение и выключение несколько раз подряд, и наконец-то предохранительная лампа заменяется на перемычку. Если при очередном включении схема заработала, значит, она будет работать и дальше. Хотя понаблюдать некоторое время за балластом стоит. Ни в коем случае не должны греться ни дросселя, ни транзисторы.

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА
Для измерения действующей величины тока, текущего через лампу можно применить следующую схему: в разрыв цепи нагрузки ставится диодный мост, в нагрузку которому включается резистор 1 Ом 1вт и вольтметр. Действует соотношение 1В = 1А. Надо получить ~0,4 А, то есть 0,4В. Другой способ приблизительной оценки эффективности светимости лампы заключается в измерении светового потока при помощи любого фотоэкспонометра. Для этого достаточно взять экспонометр, поднести его вплотную к любой люминесцентной лампе, светимость которой вас устраивает, и запомнить показания. На эти показания можно будет ориентироваться при настройке балласта, а так же отслеживать изменение светового потока лампы в зависимости от срока службы. Если экспонометр «зашкаливает», то можно взять лист белой бумаги, и измерять через эту бумагу.

Ну вот, вроде и всё. Теперь я доволен тем, как у меня светят в аквариумах лампы любых мощностей. Если кому интересно задать вопросы, пишите на e-mail oleg_rud@newmail.ru.