Микросхемы управления газоразрядными источниками света – Полупроводниковая силовая электроника

March 19, 2015 by admin Комментировать »

В газоразрядных лампах электроэнергия преобразуется в свет при прохождении электрического тока через газ или пары металла. Цвет светового излучения зависит от рода газа, его давления и от вида люминофора, нанесенного на внутренние стенки стеклянного баллона лампы. Газоразрядные лампы наполняются инертными газами (неоном, аргоном, криптоном или ксеноном), а также парами ртути или натрия.

Ртутные лампы, широко применяемые в промышленности, состоят из следующих частей (рис. 3.68): кварцевой трубки дугового разряда, наполненной аргоном и парами ртути; наружной стеклянной колбы (с внутренним люминофорным покрытием), окружающей трубку дугового разряда, закрывающей ее от воздействия потоков окружающего воздуха и предотвращающей окисление; цоколя, на котором держится вся лампа и имеются электрические контакты для подвода напряжения питания. Размеры и форма этих конструктивных элементов могут быть разными в зависимости от типа лампы — общего назначения (с прозрачной колбой, с люминесцентным покрытием, с исправленной цветностью, рефлекторная, полурефлекторная лампы), ультрафиолетовые, солнечного света и фотохимические лампы.

Рис. 3.68. Конструкция ртутной газоразрядной лампы [36]: 1 — наружная колба; 2,5 — рабочие электроды; 3 — токопроводящие стойки; 4 – кварцевая трубка дугового разряда; 6 — пусковой электрод;

7 — опорные траверсы трубки дугового разряда;

8 – пусковые резисторы; 9 – опорные элементы; 10 — внутреннее люминофорное покрытие

После того как ртутная лампа включена и в ней установился дуговой разряд, ток разряда через пары ртути сам по себе непрерывно нарастает. Поэтому его приходится ограничивать внешним балластным устройством. Средний срок службы ртутных ламп общего назначения составляет 6000—12 000 ч.

Ртутные лампы отличаются высоким световым выходом (в 2—3 раза большим, чем у ламп накаливания общего назначения), большим сроком службы и компактностью, благодаря чему они хорошо подходят для регулирования светового потока. Их недостатки — высокая стоимость лампы и вспомогательного оборудования, синевато-зеленый оттенок свечения и медленный повторный пуск. Цветность ртутной лампы исправляется применением внутреннего люминофорного покрытия.

Люминесцентные лампы состоят из следующих основных деталей (рис. 3.69): стеклянного баллона, двух цоколей (с выводными контактами) на обоих концах баллона и двух подогревных катодов (электронных эмиттеров) из вольфрамовой нити или стальной трубки. Баллон наполнен парами ртути и инертным газом (аргоном); на внутренние стенки баллона нанесено люминофорное покрытие, преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет. Конструкция лампы, представленная на рис. 3.69, типична для самых распространенных 40 Вт ламп.

Лампа действует следующим образом. Трубка наполнена инертным газом и парами ртути. Внутренние стенки трубки покрыты люминофором. Электрод на одном из концов лампы испускает электроны, которые с большой скоростью летят вдоль лампы, пока не произойдет столкновение со встретившимся атомом ртути. При этом они выбивают электроны атома на более высокую орбиту. Когда выбитый электрон возвращается на прежнюю орбиту, атом испускает ультрафиолетовое излучение. Последнее, проходя через люминофор, преобразуется в видимый свет.

Рис. 3.69. Конструкция люминесцентной лампы с холодными катодами [36]: 1 — ртуть; 2 — штампованная стеклянная ножка с электровводами; 3 — трубка для откачки (при изготовлении); 4 — выводные штырьки; 5 — концевая панелька; 6 — катод с эмиттерным покрытием

Люминесцентные лампы делятся на две группы соответственно типу электродов: с подогревными катодами и с холодными катодами. В лампах с подогревными катодами, которые рассчитываются на большие токи (от 1 до 2 А), как правило, используются спиральные активированные вольфрамовые нити накала. В лампах же с холодными катодами предусматриваются цилиндрические электроды с покрытием из эмиттерных материалов, и они рассчитываются на меньшие токи. Средний срок службы ламп с подогревными катодами зависит от наработки на один пуск: 7500 ч при 3 ч наработки на один пуск и более 18 000 ч в непрерывном режиме. Для ламп же с холодными катодами срок службы не зависит от числа пусков и достигает 25 000 ч.

Лампы с подогревными катодами по способу их пуска делятся на лампы с предварительным прогревом, быстрого и моментального пуска. Как и все другие газоразрядные приборы, лампы с подогревными катодами нельзя присоединять к источнику питания без балластного устройства, ограничивающего ток (рис. 3.70). Лампы с предварительным прогревом нуждаются также в стартере; при пуске такой лампы замыкается стартер, и катоды, соединенные последовательно, подключаются к сети питания, так что по ним проходит ток. После того как катоды разогреются настолько, что могут эмиттировать электроны, стартер автоматически размыкается, и лампа загорается. В благоприятных условиях весь пуск занимает несколько секунд. В лампах быстрого пуска катоды нагреваются постоянно, а разряд возникает при повышении напряжения. Стартеры не требуются, и время пуска значительно меньше, чем у ламп с предварительным прогревом. В лампах моментального пуска не требуется ни прогрева катодов, ни стартера. Просто на катод подается повышенное напряжение, которое вызывает эмиссию электронов и зажигание разряда в лампе.

Рис. 3.70. Конструкция люминесцентной лампы с подогревными катодами, рассчитанная на большие токи [36]

К достоинствам люминесцентных ламп относятся высокая световая отдача (до 77 лм/Вт) и большая долговечность. Недостатки — высокая начальная стоимость лампы и светильника, шум дросселя стартера и мерцание. Хотя перечень недостатков обширнее, достоинства столь велики, что уже к 1952 году лампы накаливания в США были вытеснены люминесцентными лампами в качестве основного электрического источника света.

Особого внимания заслуживает проблема снижения энергопотребления электролюминесцентных ламп. В отличие от люминесцентных ламп (в которых свет испускается при возбуждении люминофора ультрафиолетовым излучением газового разряда), в электролюминесцентных лампах, изобретенных в 1936 году, электроэнергия преобразуется непосредственно в свет благодаря применению специальных люминофоров. Лампа представляет собой многослойную конструкцию из слоя люминофора (цинк-сульфидного, активированного медью или свинцом) и двух электропроводящих пластин, одна из которых прозрачна. Устройство электролюминесцентных ламп двух типов показано на рис. 3.71. Цвет свечения лампы (синий, зеленый, желтый или розовый) зависит от частоты напряжения питания, а яркость — от частоты и напряжения. Электролюминесцентные лампы пока что не отличаются большой световой отдачей.

Рис. 3.71. Конструкция электролюминесцентной лампы с использованием органического диэлектрика с электролюминофором (а) и керамического диэлектрика с электролюминофором (б)

Таким образом, история люминесцентных ламп дневного света насчитывает уже много десятков лет. Принцип их работы основан на свечении люминофора под воздействием ультрафиолетового излучения, испускаемого «холодным» плазменным разрядом в парах ртути. Представляют интерес и безртутные люминесцентные лампы с разрядом низкого давления в инертных газах. Все газоразрядные лампы имеют так называемую «падающую» вольт-амперную характеристику. С ростом тока через такую лампу напряжение на ней не растет, а уменьшается. Если ток разряда не ограничивать, он будет лавинообразно расти. Следовательно, газоразрядные источники света должны включаться с такими устройствами, которые обеспечивают подачу напряжения, достаточного для возникновения разряда, т.е. для зажигания лампы и, одновременно, ограничивают ток разряда на уровне, требуемом для нормальной работы лампы [35].

Стандартная схема подключения к переменной сети люминесцентной лампы приведена на рис. 3.72.

Рис. 3.72. Стандартная схема подключения люминесцентной лампы

Следует отметить недостатки стандартной схемы:

—                      большие габариты и масса дросселя;

—                      наличие электромеханического элемента — стартера;

—                      низкий КПД конструкции из-за резистивных потерь энергии в дросселе;

—                      схема чувствительна к снижению напряжения в сети (при малом может не зажечься);

—                      мерцание с частотой 100 Гц;

—                      относительно низкая надежность (срок службы снижается, если лампа при запуске несколько раз моргает).

Однако в силу высокого КПД самой лампы суммарный КПД конструкции оказывается значительно выше, чем, например, у обычной лампы накаливания при одинаковой мощности. Кроме того, схема имеет низкую себестоимость.

С появлением ламп с «холодным» катодом и успехами в развитии полупроводниковой силовой электроники люминесцентная лампа получила второе рождение. На рис. 3.73 приведена структурная схема электронного драйвера люминесцентной лампы с холодным катодом.

Использование таких драйверов позволило существенно повысить КПД люминесцентных источников света. При этом массогабаритные параметры конструкции и надежность также значительно улучшились.

Преимущества драйвера люминесцентной лампы с холодным катодом:

—                      благодаря высокочастотной коммутации 12—50 кГц исключаются мерцание и стробоскопический эффект;

—                      значительно уменьшаются размеры дросселя и всего электронного блока, который может разместиться внутри цоколя лампы;

—                      схема имеет высоковольтный импульс поджига, гарантированно включающий лампу с первого раза, что исключает мерцание при включении;

—                      более высокий КПД.

Рис. 3.73. Структурная схема драйвера люминесцентной лампы с холодным катодом

Области применения люминесцентных ламп с холодным катодом (с электронным балластом):

—                      освещение;

—                      планшетные компьютеры;

—                      сканеры и копировальные аппараты;

—                      цифровые камеры;

—                      ноутбуки и плоскопанельные мониторы;

—                      PQS (торговые) — терминалы;

—                      подсветка шкал и индикаторов в различных приборах.

Отечественная микросхема ILA3354N является типовым представителем семейства интегральных устройств силовой электроники, предназначенных для организации энергосберегающего управления осветительной техникой при применении люминесцентных ламп. Используется эта микросхема для запуска, контроля и выключения высокочастотной генерации электронного балласта для люминесцентных ламп в зависимости от заранее запрограммированных управляющих сигналов.

Технологически микросхема реализована на биполярной технологии с изоляцией р-п-переходом.

Фактически ILA3354N (напряжение питания 10 В, ток потребления 1,5 мА) реализует функцию контроллера управления блоком питания люминесцентной лампы.

Микросхема организована в виде ряда взаимосвязанных функциональных блоков:

—                      схема, осуществляющая выбор температурного режима;

—                      тактовый генератор;

—                      схема запуска и отключения высокочастотной генерации;

—                      схема обнаружения ошибки;

—                      схема определения выбора лампы;

блок переключения режимов.

Рис. 3.74. Схема применения ИМС ILA3354N для управления блоком питания люминесцентной лампы

Принципиальная электрическая схема обеспечивает выполнение следующих функций:

—                      защиту от перегрева без дополнительных внешних компонентов;

—                      запуск алгоритма опроса для определение неисправной люминесцентной лампы;

—                      ИМС имеет таймер выхода и минимальное количество внешних навесных элементов;

—                      автоматический запуск при замене ламп.

На рис. 3.74 представлена электрическая схема законченного устройства контроллера управления блоком питания люминесцентной лампы.

В промышленных производствах часто используется и другой тип лампы — индукционные лампы. Принцип работы индукционной лампы основан на идее Н. Тесла, выдвинутой им еще в конце XIX столетия [37]. Индукционная лампа (рис. 3.75) работает как обычная флуоресцентная, но при этом не имеет электродов. По сути, она представляет собой трансформатор, в котором роль вторичной обмотки играет колба лампы, заполненная газом. Магнитное поле, создаваемое двумя катушками, порождает электрическое поле в замкнутом витке (колбе лампы). Оно, в свою очередь, порождает электрический ток, который разогревает плазму, излучающую в ультрафиолетовом диапазоне. Под воздействием ультрафиолетового излучения плазмы люминофор излучает в видимом спектре частот, т.е. создает видимый свет.

Рис. 3.75. Индукционная лампа

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты