Elektronisches Vorschaltgerät auf dem UBA2021-Chip. Schema, Beschreibung

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Elektronische Vorschaltgeräte. Elektronisches Vorschaltgerät auf dem UBA2021-Chip. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen

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Stellen Sie sich ein elektronisches Vorschaltgerät vor, das auf einer Mikroschaltung implementiert ist UBA2021. Der Schaltplan eines elektronischen Vorschaltgeräts für eine 58-W-Leuchtstofflampe ist in Abb. dargestellt. 3.31.

Das „Herzstück“ des elektronischen Vorschaltgeräts ist der UBA2021-Chip. Dieser kundenspezifische IC ist für den Betrieb sowohl mit herkömmlichen als auch mit Kompaktleuchtstofflampen konzipiert. Der UBA2021 umfasst einen Hochspannungstreiber mit Triggerschaltung, einen Generator und einen Timer, der die Steuerung der Phasen Starten, Erhitzen, Zünden und Brennen der Lampe sowie Schutz vor kapazitivem Modus ermöglicht.

Der IC hält Spannungen bis zu 390 V und kurzzeitigen Spannungsspitzen (t < 0,5 s) bis zu 570–600 V stand. Die Niederspannungsversorgungsspannung ist intern festgelegt, sodass keine externe Zenerdiode installiert werden muss. Die Fixierung erfolgt bei Strömen bis 14 mA mit kurzzeitigen (t < 0,5 s) Bursts bis 35 mA. Das Blockdiagramm von UBA2021 ist in Abb. dargestellt. 3.32.

Die Mikroschaltung ist in einem Kunststoffgehäuse mit 14 Pins (entweder DIP-14 oder SO-14) untergebracht. Pinbelegung des UBA2021 Chips ist in der Tabelle angegeben. 3.5.

Tabelle 3.5. Pinbelegung des UBA2021 Chips

Elektronisches Vorschaltgerät auf UBA2021-Chip

Reis. 3.31. Elektronischer Vorschaltkreis auf dem UBA2021-Chip (zum Vergrößern anklicken)

Elektronisches Vorschaltgerät auf UBA2021-Chip
Reis. 3.32. Strukturdiagramm des UBA2021-Chips

Das elektronische Vorschaltgerät arbeitet im Netzspannungsbereich von 185–265 V bei einer Frequenz von 50–60 Hz. Die automatische Steuerung hält die Lampenbrennleistung im Bereich von 47,6–50,3 W, wenn sich die Netzspannung im Bereich von 200–260 V ändert. UBA2021 steuert den Betrieb leistungsstarker PHX3N50E-MOSFETs, die die Schlüssel eines Halbbrückenwechselrichters sind wird aus einem Netz mit einer Nennspannung von 23 V i1 und einer Frequenz von 50-60 Hz gespeist. Dies gewährleistet die notwendige Verschiebung der Leistungspegel von Feldeffekttransistoren und bietet Schutz vor kapazitivem Betrieb.

Die Hauptvorteile dieses Produkts sind die geringe Anzahl externer Komponenten und die niedrigen Kosten aufgrund der Verwendung des UBA2021-IC, der maximale Designflexibilität bei minimaler Anzahl peripherer Elemente bietet.

Betrachten Sie die Funktionsweise des Schemas genauer. Die Netzwechselspannung wird mithilfe eines Vier-Dioden-Brückengleichrichters (oder Diodenbrücke) und eines Glättungskondensators in Gleichspannung (310 V) umgewandelt, die den Halbbrückenwechselrichter versorgt. Ein Netzwerkfilter zur Störunterdrückung verhindert, dass Störungen in das Netzwerk gelangen.

Der Halbbrückenwechselrichter gehört zur Gruppe der Hochfrequenz-Resonanzspannungswandler, die sich zur Steuerung von Gasentladungslampen eignen. Das verwendete Prinzip, zwei leistungsstarke MOS-Transistoren spannungsfrei zu schalten, ermöglicht es, Schaltverluste zu reduzieren und eine hohe Vorschaltgeräteeffizienz zu gewährleisten.

Nach dem Anlegen der Netzspannung wird die Leuchtstofflampe zunächst erhitzt. Dies nennt sich Sanftanlauf und sorgt für einen zuverlässigen und langlebigen Betrieb der Lampe. Die Höhe des Heizstroms wird durch die Mikroschaltung UBA2021 geregelt. Dieser Strom, der durch die Glühfäden der Lampe fließt, erhitzt die Elektroden der Lampe auf eine Temperatur, die eine ausreichende Elektronenemission ermöglicht. Durch das Aufwärmen können Sie die Zündspannung der Lampe reduzieren, wodurch die Stromschlagbelastung der Schaltungselemente verringert wird.

Nach dem Einschalten wird die gleichgerichtete Netzspannung über den Widerstand R4 (Abb. 1) dem Pufferkondensator C3.31 zugeführt, der den Einschaltstrom begrenzt. Der Kondensator glättet Spannungswelligkeiten bei der doppelten Netzfrequenz. Die resultierende Hochspannungs-Gleichspannung VHV (310 V) versorgt einen Halbbrückenwechselrichter mit Strom, zu dessen Leistungskomponenten die Transistoren VT1, VT2, die Spule L1, die Kondensatoren C5, C6, C7 und die Lampe EL1 gehören.

In der Startphase fließt der Strom vom Hochspannungskondensator C4 durch den Widerstand R2, den Lampenfaden, den Widerstand R7, die Pins 13 und 5 der UBA2021-Mikroschaltung, die während der Startphase durch eine interne Verbindung miteinander verbunden sind schaltet und lädt die Niederspannungs-Versorgungskondensatoren C9, C11 und C13 auf. Sobald die Versorgungsspannung VS an C13 5,5 V erreicht, schaltet UBA2021, wodurch der Transistor VT2 öffnet und der Transistor VT1 schließt.

Dadurch kann der Startkondensator C12 über den internen Schaltkreis der Mikroschaltung aufgeladen werden. Die Versorgungsspannung VS steigt weiter an und bei VS > 12 V beginnt der interne Oszillator des Chips zu erzeugen. Der Stromverbrauch des ICs ist intern auf ca. 14 mA festgelegt.

Als nächstes kommt der Übergang zu Heizstufe. Bei fehlender Lampe wird der Start automatisch blockiert, da in diesem Fall der Ladestromkreis des Startkondensators unterbrochen ist.

In der Heizphase werden die MOS-Transistoren VT1 und VT2 abwechselnd in den leitenden Zustand überführt. Dadurch entsteht um den Halbbrückenmittelpunkt eine rechteckförmige Wechselspannung mit der Amplitude VHV. Die anfängliche Schwingungsfrequenz beträgt 98 kHz. Unter diesen Bedingungen ist die Schaltung bestehend aus C8, VD5, VD6, C9 und SY in der Lage, die Funktion einer Niederspannungsstromquelle zu übernehmen, die beim Start über Pin 13 des IC mit Strom versorgt wurde.

Während eines Zeitintervalls von ca. 1,8 s (Aufheizzeit t_PRE), deren Dauer durch die Leistungsstufen C16 und R8 bestimmt wird, befindet sich die Anlage im Heizbetrieb. Dabei fließt ein kontrollierter Strom* durch die Lampenwendeln, wodurch beide Lampenelektroden optimal erwärmt werden können. Erhitzte Elektroden geben eine große Anzahl von Elektronen in die Lampe ab, und in diesem Zustand sind zum Zünden deutlich geringere Spannungen erforderlich, was die elektrischen Stoßbelastungen der Schaltungselemente und der Lampe im Moment der Zündung minimiert. Das Erhitzen der Elektroden ist sehr wichtig, um eine lange Lampenlebensdauer (ca. 20 Stunden) zu gewährleisten.

Nach der Erzeugung beginnt ein kleiner Wechselstrom vom Mittelpunkt der Halbbrücke durch die Lampenfäden L1 und C7 zu fließen. Die Schwingungsfrequenz nimmt allmählich ab, was zu einem entsprechenden Anstieg des Stromwerts führt. Die Rate der Frequenzreduzierung wird durch die Kapazität des Kondensators C14 und die interne Stromquelle des IC bestimmt. Sobald an den Widerständen R5 und R6, die Heizstromsensoren sind, ein bestimmter Wert der Wechselspannung erreicht wird, hört die Frequenz auf zu sinken.

Während der gesamten Heizphase bleibt die Betriebsfrequenz des Halbbrückenwechselrichters über der Resonanzfrequenz der L1C7-Kette (55,6 kHz), und aus diesem Grund ist die Spannung an C7 immer noch niedrig, um die Lampe zu zünden.

Rat. Es ist sehr wichtig, diese Spannung niedrig genug zu halten, denn eine vorzeitige, sogenannte Kaltzündung führt zu einem schnellen Verschleiß der Lampenelektroden.

Der Induktivitätswert der Vorschaltspule L1 wird durch den erforderlichen Strom durch die Lampe, die Kapazität des Zündkondensators C7 und die Betriebsfrequenz im Verbrennungsmodus bestimmt. Der Mindestwert der Kapazität C7 wird durch die Induktivität L1, die Spannung an der Lampe, die bei gegebenem Heizstrom nicht zur Zündung führt, und die minimale Netzspannung bestimmt. Der optimale Wert für die Erwärmung ist daher der Wert der Kapazität C7 von 8,2 nF.

Nach Ende der Aufheizphase beginnt UBA2021 mit der weiteren Reduzierung der Halbbrücken-Schaltfrequenz bis auf die niedrigste Frequenz fв (39 kHz). Allerdings nimmt die Frequenz jetzt viel langsamer ab als während der Vorheizphase. Die Schaltfrequenz verschiebt sich auf die Resonanzfrequenz der Reihenschaltung, bestehend aus Induktivität L1 und der Gesamtkapazität von Kondensator C7 und den Lampenelektroden (55,6 kHz), und der Widerstand der Gleichstrom-Sperrkondensatoren C5 und C6 ist recht klein.

Die maximale Zündspannung im ungünstigsten Fall (wenn sowohl die Leuchte als auch der elektronische Vorschaltkreis an die Schutzerde des Netzes angeschlossen sind) für eine TL-D 58W-Lampe bei niedrigen Temperaturen beträgt ca. 600 V.

Die Kombination aus Vorschaltdrossel L1 und Zündkondensator C7 ist so gewählt, dass die Spannung an der Lampe die für eine sichere Zündung erforderlichen 600 V überschreiten kann. Die Höhe der Zündspannung bestimmt den Maximalwert der Kapazität C7 bei gegebenem Wert Induktivität L1, ausgewählt basierend auf der niedrigeren Frequenz fв UBA2021. Die untere Frequenz fв wird durch die Werte von R8, C15 eingestellt. Maximal mögliche Dauer der Zündphase t_IGN gleich 1,7 s (ist 15/16 von t_PRE); Die Installation erfolgt durch Auswahl von C16 und R8.

Nehmen wir an, dass die Lampe während des Frequenzverringerungsprozesses leuchtet; dann sinkt die Frequenz auf den Minimalwert /v. UBA2021 kann den Übergang in die Verbrennungsphase schaffen zwei Wege:

wenn die Frequenz auf f abfällt_в;
wenn die Frequenz f_в nicht erreicht, der Übergang erfolgt jedoch nach der maximal möglichen Dauer der Zündstufe t_IGN.

Während der Verbrennungsphase sinkt die Schwingungsfrequenz im Kreis normalerweise auf f_в (39 kHz), die als Nennbetriebsfrequenz verwendet werden kann. Aufgrund der Verwendung automatischer Steuerung in elektronischen Vorschaltgeräten hängt die Schwingungsfrequenz jedoch von der Strommenge ab, die durch Pin 13 (Pin RHV) des UBA2021 IC fließt. Nach Erreichen von f beginnt die automatische Regelung zu funktionieren_в. Die automatische Steuerung stabilisiert den von der Lampe abgegebenen Lichtstrom über einen weiten Bereich von Netzspannungsschwankungen erheblich.

Während der Startphase werden die Niederspannungs-Versorgungskondensatoren C9, C10 und C13 durch den Strom geladen, der vom Hochspannungskondensator C4 durch R2, den Lampenfaden, R7 und die intern verbundenen Pins 13 und 5 des UBA2021 fließt.

In der Verbrennungsstufe kommt es zur Rekommutierung. Anstelle von Pin 5 ist Pin 13 mit Pin 8 verbunden. Nun wird der durch die Widerstände R2 und R7 fließende Strom als Informationsgröße im System zur automatischen Steuerung der Schaltfrequenz des Wechselrichters verwendet, da die Stärke dieses Stroms proportional ist auf das Niveau der gleichgerichteten Netzspannung. Welligkeit mit der doppelten Netzfrequenz (100-120 Hz) wird durch den Kondensator C16 gefiltert. Dadurch bleibt der von der Lampe abgegebene Lichtstrom bei Änderungen der Netzspannung im Bereich von 200 bis 260 V nahezu konstant.

Bei Frequenzen über 10 kHz kann die Lampe als ohmsche Last betrachtet werden. Die Lichtausbeute von röhrenförmigen Lampen, die mit Frequenzen über 10 kHz angeregt werden, ist deutlich besser als wenn sie mit einer Frequenz von 50–60 Hz betrieben werden. Dies bedeutet, dass eine TL-D 58W-Lampe mit einem Hochfrequenz-Netzteil von 50 W den gleichen Lichtstrom abgibt wie eine TL-D 58W-Lampe mit einem Netzteil von 58 W bei einer Frequenz von 50-60 Hz. Der stationäre Arbeitspunkt einer TL-D 58W an einem elektronischen Vorschaltgerät ist durch eine Lampenspannung von 110 V und einen Strom durch sie von 455 mA gekennzeichnet, was einer Versorgungsleistung von 50 W entspricht. Der Induktivitätswert der Vorschaltspule L1 wird durch den Arbeitspunkt der Lampe, die Kapazität des Zündkondensators C7 und die Betriebsfrequenz bestimmt, die bei einer Nennnetzspannung von 45 V etwa 230 kHz beträgt.

Mit verschiedenen Kombinationen aus Induktivität L1 und Kapazität C7 kann die gewünschte Erregerleistung der Lampe erreicht werden. Die Wahl einer bestimmten Kombination hängt von Faktoren wie dem Heizmodus, der minimal erforderlichen Zündspannung und Toleranzen der Parameter der Schaltungskomponenten ab. In den meisten Fällen ist die optimale Kombination eine Drosselspule L1 mit einer Induktivität von 1 mH und ein Zündkondensator C7 mit einer Kapazität von 8200 pF.

Um die Elemente des Stromkreises vor erheblichen Überlastungen zu schützen, verfügt die Mikroschaltung über eine eingebaute Schutzfunktion gegen den kapazitiven Betriebsmodus, die während der Zünd- und Verbrennungsphase aktiv ist. Der UBA2021-Chip prüft in jedem Betriebszyklus des Wechselrichters die Größe des Spannungsabfalls an R5 und R6, wenn der Transistor VT2 eingeschaltet wird.

Wenn diese Spannung weniger als 20 mV beträgt, was bedeutet, dass die Schaltung im kapazitiven Modus arbeitet, beginnt der UBA2021, die Schaltfrequenz viel schneller zu erhöhen, als er sie während der Aufwärm- und Zündphase verringert hat. Dadurch wird die Schaltfrequenz die Resonanzfrequenz überschreiten. Wenn die Anzeichen des kapazitiven Modus verschwinden, wird die Schaltfrequenz wieder auf den erforderlichen Wert reduziert.

Der Lampenentfernungsschutz wird durch die Niederspannungsversorgungsmethode für das UBA2021 gewährleistet. Wenn die Lampe entfernt wird, wird die Wechselspannung am Kondensator C6 Null, was zum Verschwinden der Niederspannungsversorgung des IC führt. Nach dem Austausch der Lampe ohne Abklemmen des elektronischen Vorschaltgeräts wird der Betrieb des Stromkreises ab der Startphase wieder aufgenommen. Und schließlich ist das Starten des elektronischen Vorschaltgeräts ohne Lampe nicht möglich, da in diesem Fall der Startwiderstand R7 von der Hochspannungsspannung getrennt ist.

Das elektronische Vorschaltgerät enthält einen Elektrolytkondensator C4 vom Typ ASH-ELB 043. Diese speziell für den Einsatz in elektronischen Stromversorgungskreisen für Leuchtstofflampen konzipierten Kondensatoren zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer (15000 Stunden) bei Temperaturen bis 85 °C aus und halten stand erhebliche Stromwelligkeiten.

Die Leistungsschalter im Wechselrichter sind Feldeffekttransistoren vom Typ PHX3N50E (der E-Index weist auf eine erhöhte Zuverlässigkeit des Geräts hin). Durch die Nutzung des Nullspannungsschaltprinzips werden die Schaltverluste der MOSFETs minimiert. Die Erwärmung jedes einzelnen Transistors wird nur durch Verluste im leitenden Zustand verursacht, und der Grad der Temperaturerhöhung hängt vom Widerstand des offenen Drain-Source-Kanals R ab_DS Ein- und Gehäusewärmewiderstand R_tn.

Da die Dauer der Heiz- und Zündphasen recht kurz ist, wurde die Wahl des MOS-Transistortyps durch die Strommenge bestimmt, die im Lampenbrennmodus durch die Vorschaltdrossel fließt. Der PHX3N50E verfügt über eine maximale DC-Drain-Source-Spannung von 500 V und einen On-Channel-Widerstand von weniger als 3 Ohm.

Die Auslegung der Vorschaltspule L1 mit einer Induktivität von 1 mH, die Spitzenzündströmen bis 2,5 A standhält, ermöglicht den Einsatz in Stromkreisen ohne Schutzerdung. Der Zünder im elektronischen Vorschaltgerät ist der Kondensator C7 mit einer Kapazität von 8200 pF vom Typ KR/MMKR376. Dieser Kondensatortyp ist für den Einsatz in Schaltkreisen mit hohen Spannungsanstiegsraten und hohen Wiederholraten konzipiert. Der eingebaute Kondensator hält einem Spannungshub von bis zu 1700 V (600 V eff. Sinusspannung) stand. Der Kondensator kann durch einen Polypropylen-Kondensator K78-2 1600 V ersetzt werden. Empfohlene Arten von elektronischen Vorschaltgeräten sind in der Tabelle angegeben. 3.6. Und in der Tabelle 3.7 sind gegeben Energieeigenschaften elektronischer Vorschaltgeräte auf dem UBA2021-Chip.

Tabelle 3.6. Empfohlene Arten elektronischer EPR-Komponenten

Elektronisches Vorschaltgerät auf UBA2021-Chip

Tabelle 3.7. Energetische Eigenschaften elektronischer Vorschaltgeräte

Elektronisches Vorschaltgerät auf UBA2021-Chip

Autor: Koryakin-Chernyak S.L.

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