IRS2530D — новейшая ИС управления балластом флуоресцентных ламп c возможнстью регулировки яркости компании International Rectifier

Свет в нашей жизни имеет очень важное значение. От правильного освещения зависят также наши комфорт и здоровье. Флуоресцентные лампы являются самыми распространенными и одними из самых эффективных источников света. У ламп дневного света самый высокий КПД. Вместо лампы накаливания мощностью 100 Вт вполне достаточно 18-Вт лампы дневного света. Ее освещение не имеет теней, что присуще лампам накаливания. Именно тени как контрастный переход между освещенными и неосвещенными участками приводят к быстрой утомляемости нашего зрения. Однако применяя лампы дневного света (ЛДС), необходимо обращать внимание на то, что 90% пускорегулирующей аппаратуры, которая выпускается на текущий момент, имеет простые и, как следствие, дешевые электромагнитные балласты. Их недостатки в громоздкости, нестабильности яркости при колебаниях сети, низком сроке службы ламп, а также в ее мерцании с частотой 100 Гц при переходе питающего напряжения через ноль. Наши глаза это мерцание не воспринимают, но биение мерцания лампы со светом экранов телевизоров, 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. Для этой цели широко применяются компактные электронные пускорегулирующие аппараты. В большинстве из них для снижения стоимости используется традиционное решение — автогенераторная схема с трансформатором и полумостовым каскадом на биполярных транзисторах. Но и в этом случае имеется существенный недостаток — в таких схемах трудно реализовать предварительный подогрев катода, который необходим для увеличения срока службы лампы до реально достижимых 20000 ч. Да и режим автогенерации привязан к параметрам и мощности лампы. Это значит, что надежность запуска будет падать с наработкой лампы. Точность установки частоты в таких схемах невелика, т.к. определяется параметрами насыщения сердечника трансформатора и транзисторов. Следовательно, для массового производства таких электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) требуются компоненты с минимальным разбросом характеристик, а следовательно по более высокой цене. Кроме того, биполярные транзисторы имеют сильную температурную зависимость, что усложняет их применение в электронных балластах встроенных в цоколь компактных ламп. Исходя из всего сказанного, очень актуальной задачей является создание электронного балласта с широким набором функций управления лампой (отключение по перегреву, защита от гашения лампы вследствие старения, авторестарт, программируемые время подогрева и поджига, частота подогрева и поджига и т.д.), обладающего высокой надежностью и обеспечивающего максимальный срок службы лампы, а также максимальный КПД. При этом электронный балласт должен иметь конкурентную с автогенераторным вариантом цену. В номенклатуре International Rectifier имеется множество микросхем для решения этой задачи, но в этой статье хотелось бы уделить внимание новейшиму компоненту управления балластом — IRS2530D.
Изготовленная по уникальной запатентованной технологии DIM8 TM, IRS2530D относится к самому последнему поколению высоковольных ИС управления электронными балластами в компактном 8-выводном корпусе с возможностью плавной или ступенчатой регулировки яркости. Только один высоковольтный вход измеряет напряжение и ток полумоста для выполнения всех необходимых защитных функций. Постоянный ток источника напряжения регулировки яркости и переменный ток обратной связи лампы объединены вместе, позволяя регулировать яркость с помощью одного вывода. Встроенные ограничительные диоды по линии питания и всем остальным выводам обеспечивают защиту всех узлов ИС от резких скачков напряжения. Продуманная логика управления реализует эффективный алгоритм отслеживания всех возможных сбоев в процессе работы и защиты всей схемы от их последствий.
Требуя минимальной обвязки, ИС позволяет значительно упростить схему и габариты устройства, удешевить его, а также повысить эксплуатационные характеристики флуоресцентной лампы.
Рассмотрим детальнее важные моменты, каскающиеся устройства и работы IRS2530D (см. рис. 1, 2, 3).

Рис. 1. Функциональная схема IRS2530D и типовая схема включения

Рис. 2. Типовая схема включения

Рис. 3. Алгоритм работы IRS2530D

Для обеспечения режима низкого потребления (<250 мкА) и гарантии полной исправности ИС перед пуском в ней реализована схема, обеспечивающая т.н. режим БЛОКИРОВКИ. ИС находится в этом режиме в случае, когда питающее напряжение ниже номинального (12,5 В), а напряжение на управляющем выводе LO, который по совместительству является анализатором наличия и исправности лампы, меньше пороговых 8,75 В (условие наличия лампы). Это стартовое состояние (см. рис. 3).
Как только внешнее питание подано, конденсатор CVCC1 заряжается через стартовую цепь (RVCC1, RVCC2), и напряжение на нем превышает пороговые 12,5 В, ИС переходит в режим ПОДОГРЕВА/ПОДЖИГА. На выводах LO и HO начинается генерация, и после этого ИС питается уже от полумостового каскада через зарядовый насос на CSNUB и DCP1, DCP2. Ограничительный диод DCP1 (18 В) и цепь (RLIM1, RLIM2, CVCC1, CVCC2) защищают ИС от резких выбросов тока. Внутренний ограничительный транзистор совместно с конденсатором CSB формируют необходимое напряжение питания схемы драйвера внешнего полумоста. А тем временем внутренний источник тока (1 мкА) плавно заряжает внешний конденсатор, подключенный к выводу ГУН, что влечет линейный рост напряжения на нем и старт генерации. Одновременно ток быстрого старта (50мкА), также поступающий на вывод ГУН, мгновенно увеличивает напряжение до 0,85 В. Далее этот источник отключается, и напряжение на генераторе продолжает расти, понижая частоту колебаний в сторону резонансной частоты высокодобротного балласта выходного каскада. Поскольку напряжение на лампе и ток растут, нить накала плавно подогревается. Желаемое время подогрева регулируется внешним конденсатором CPH. Снижение частоты продолжается вплоть до поджига лампы.
Далее лампа переходит в экономичный режим СВЕЧЕНИЯ на резонансной частоте. В этом режиме резонансный выходной каскад трансформируется в последовательный L-параллельный высокодобротный контур RC. Для гарантированного поджига лампы минимальная частота ГУНа должна быть установлена ниже резонансной частоты балласта выходного каскада, чтобы при запуске она имела точку совпадения с резонансной. Если же лампа не зажглась, частота продолжает падать и при напряжении на ГУН равном 4,0 В ИС переходит в режим АВАРИИ.
Итак, в режиме горения ток лампы создает на токовом шунте RCS переменное напряжение, которое через цепь обратной связи (резистор и емкость обратной связи — RFB (1 кОм) и CFB (0,1 мкФ), соответственно) поступает на вывод регулировки яркости DIM. Напряжение на выводе DIM — это сумма постоянного напряжения установки яркости и переменного напряжения обратной связи, пропорциональное току лампы. Это суммарное напряжение управляет ГУНом. Итогом работы такой петли регулировки яркости является приведение отрицательной полуволны суммы U_DC + U_AC на входе DIM к уровню земли. Таким образом, смещая переменое напряжение на входе DIM при помощи внешнего постоянного напряжения регулировки U_DC и при помощи петли, удерживая минимум этой суммы на уровне земли, мы имеем возможность очень точно управлять напряжением и током лампы и, соответственно, яркостью. Для ее уменьшения мы понижаем напряжение на контактах DIM INPUT. Затем петля регулировки яркости повышает частоту ГУНа, уменьшая тем самым ток через лампу и снижая яркость. Процесс повышения яркости обратный.
Адаптивное управление полумостовым каскадом обеспечивает переключение транзисторов при нулевом напряжении и минимальном токе (режим ZVS, zero voltage switching). Этот режим гарантирует минимальную потерю мощности на ключах в момент переключения. Если в режиме свечения напряжение на высоковольном входе VS (средняя точка моста) не полностью обращается в ноль в моменты холостого хода за счет напряжения сток-исток открытого нижнего ключа, то система стремится к емкостному резонансу. В результате возникает режим non-ZVS, провоцирующий резкие скачки тока через ключи моста, что может привести к их повреждению. Такой режим появляется, как правило, в моменты прерывания напряжения сети, изменения параметров лампы или компонентов ЭПРА со временем, управления лампой несоответствующего типа, а также отсоединения лампы в рабочей схеме. Для защиты от этого ИС имеет встроенный высоковольный полевой транзистор, который открывает внутреннюю цепь для измерения каждого пика напряжения нижнего ключа при каждом выключении верхнего ключа. Если измеренное напряжение более 4,5 В, то считается, что режим ZVS нарушен, и цепь управления увеличивает частоту ГУНа до восстановления ZVS.
Вместе с тем, описанная цепь также измеряет ток верхнего плеча на факт предельно допустимого порога. Используя R_DSon внешнего нижнего ключа в качестве датчика тока, ИС исключает необходимость внешнего резистора для этой цели. Чтобы избежать влияния изменения R_DSon от температуры или разброса параметров транзистора, ИС выполняет измерение пик-фактора, т.е. детектирует превышение пикового тока к среднему значению в 5,5 раз. Измерение пик-фактора в режиме ПОДОГРЕВА/ПОДЖИГА идеально для определения насыщения дросселя из-за чрезмерного тока, возникающего в резонансном контуре, когда частота ГУНа близка к резонансной. В режиме СВЕЧЕНИЯ отслеживание пик-фактора используется для контроля исправности нити накала, наличия лампы в патроне, а также гашения лампы. Любое из этих трех аварийных состояний приводит выходной каскад к эквивалентному LC-контуру. При этом частота ГУНа стремится к резонансной, что приводит к насыщению дросселя, скачку тока и отключению ИС в аварийный режим.
В аварийном режиме ИС находится в состоянии микропотребления. Вывод HO отключен, вывод LO открыт и работает как вход. В этом состоянии ИС можно запустить заменой лампы (факт определит внутренняя схема через вывод LO) или сбросом питания ниже порога UVLO, а затем возвратом на прежний уровень. В этом режиме вывод LO используется как вход сброса. Если лампа удалена из патрона, то внешний делитель на резисторах RLMP1 RLMP2 формирует на входе LO напряжение выше 8,75 В, что выводит ИС из АВАРИЙНОГО режима в режим БЛОКИРОВКИ. Когда лампа будет снова вставлена, то за счет включения низкоомной нити накала в делитель RLMP1 RLMP2, напряжение на LO снизится до 8,50 В, что будет условием перехода лампы в режим ПОДОГРЕВ/ПОДЖИГ, т.е., по сути, рестарта.

По вопросам заказа образцов IRS2530D, приобретения отладочных плат, получения консультации специалистов обращайтесь к официальному дистрибьютору International Rectifier — компании КОМПЭЛ, www.compel.ru. Контакты в Москве: эл. почта: ir@compel.ru, тел.: (495) 9950901, в С.-Петербурге: spb@compel.ru, тел.: (812) 3279404.