В статье пойдет речь о ИС компании International Rectifier для управления лампами высокого давления. Будут рассмотрены устройство и принцип управления лампами высокого давле­ния, даны рекомендации по построению схемы управления и защиты.

Современные электронные балласты для флуоресцентных ламп на сегод­няшний день уже обогнали трансфор­маторные пускатели и по объему, и по цене. Такую же тенденцию мы наблю­даем сейчас и в области электронных пускателей для ламп высокого давления. Одним из основных преимуществ ламп высокого давления является их яркость свечения. Обычно такие лампы использу­ют для внутреннего освещения больших площадей, наружного освещения зданий или уличного освещения. Сегодня лампы высокого давления находят новое приме­нение в автомобильных фарах, прожекторной подсветке необходимых объек­тов, демонстрационных проекторах.

Газоразрядные лампы — это лампы, в которых электрическая энергия пре­образуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и другие вещества (например, ртуть), при этом газ имеет парообразное состо­яние. В качестве газа часто используют галоидную группу газов, пары натрия и ртути. В отличие от галогенных ламп накаливания металло-галидные лампы не перегорают, а со временем лишь умень­шают полезный световой поток, но при этом имеют в 20 раз большее время службы чем лампы накаливания. Поэтому критерием истечения их ресурса является уменьшение создаваемого потока вдвое. Лампы, содержащие пары натрия, на­зывают натриевыми лампами. Они име­ют в 2 раза больший срок службы, чем люминесцентные лампы. Газоразрядная лампа представляет собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, иногда неко­торое количество металла или другие вещества (например, галоидную соль) с достаточно высокой упругостью пара. В оболочку герметично вмонтированы (например, впаяны) электроды, между ко­торыми происходит разряд. Существуют газоразрядные лампы с электродами, ра­ботающими в открытой атмосфере или протоке газа (например, угольная дуга).

Вспышка разряда в эмиттере нат­риевой лампы высокого давления про­исходит в поджигающем газе, образую­щем основную газовую среду, которая в холодной лампе заполняет эмиттер. Перед началом разряда натрий и ртуть находятся в своем обычном состоянии. При этом упругость паров натрия и ртути в холодном эмиттере практически не влияет на давление в поджигающем газе. Начальный разряд в поджигаю­щем газе приводит к нагреву эмиттера, что вызывает испарение натрия и ртути. По мере возрастания давления паров этих двух металлов существенно повы­шается их роль в процессе разряда. Поскольку натрий и ртуть в эмиттере имеются с избытком, в стабильном со­стоянии, т. е. в состоянии термодина­мического равновесия,  определенное количество этих веществ продолжает оставаться неиспарившимся. Разряд в лампе происходит в насыщенных парах. При этом избыток жидкой амагальмы накапливается в самом холодном месте эмиттера, расположенном на одном из его концов. Температура этого места эмиттера обусловливает давление па­ров натрия и ртути в эмиттере и, факти­чески, свойства разряда.

Рис.1. Временная диаграмма запуска 70 Вт метало-галоидной лампы

Рис.2. Функциональная схема электронного управляющего устройства для ламп высокого давления

Лампы высокого давления имеют уни­кальные электрические характеристики, и они требуют специальных методов уп­равления. Разработчики пускорегулиру-ющих устройств для ламп высокого дав­ления должны учитывать все требования при управлении лампой и обеспечить безопасность ее работы и устройства в целом. Далее рассмотрим различные методы управления лампами высокого давления на основе полноуправляемого моста транзисторов и способы защиты пускорегулирующего устройства.

Обычно для поджига газоразрядной лампы используется напряжение поряд­ка 3–4 кВ, но не более чем 20 кВ, если лампа горячая. Лампа также требует постоянного ограничения тока во вре­мя подогрева и постоянного контроля мощности во время работы. Это важно для обеспечения повторения цветового излучения лампы и изменения яркости. Для этого пускорегулирующие устрой­ства должны обеспечивать точную ре­гулировку мощности с поддержанием постоянного напряжения на лампе.

В качестве управляющего напряже­ния лампы высокого давления используют переменное напряжение, что исключает миграцию ионов ртути. Лампы работают на низкой частоте, обычно менее 200 Гц, тем самым исключая акустический резо­нанс, который может разрушить колбу. 70 Вт метало-галоидная лампа предъяв­ляет следующие требования к системе управления: ограничение потребляемой мощности на уровне 70 Вт, время по­догрева лампы 1–2 минуты, напряже­ние поджига 4кВ. Временная диаграмма запуска 70 Вт метало-галоидной лампы представлена на рис. 1.

Перед поджигом лампы ее электри­ческая схема замещения представляет собой разомкнутый ключ и, соответ­ственно, имеет большое сопротивление. После поджига должно произойти сни­жение питающего напряжения, обычно до 20 В, соответственно сопротивление лампы уменьшается. Сразу же после разряда, лампа для электрической цепи является практически короткозамкнутой, а протекающий через нее ток ограни­чивается только индукционным стабилизатором (дросселем). В этот момент на­пряжение на лампе небольшое. Однако по мере быстрого разогрева эмиттера и возрастания роли паров натрия и ртути происходит электрический разряд и уже примерно через 4 минуты наблюдает­ся значительный рост светового пото­ка. При нагреве эмиттера лампы также наблюдается снижение протекающего через лампу тока и рост напряжения на лампе. Если напряжение на лампе не ограничивать, то ток потребления будет иметь высокое значение, поэтому пуско-регулирующее устройство должно иметь блок ограничения тока до безопасного уровня. После запуска лампы в режиме работы ток уменьшается, напряжение на лампе увеличивается, что обеспечивает постоянное значение мощности. В конеч­ном итоге напряжение достигает уровня 100 В и пускорегулирующее устройство начинает рабочий режим управления.

Основные требования, предъявля­емые к пускорегулирующему устройс­тву, — реализация различного принципа управления (в зависимости от типа лам­пы) и эффективного изменения уровня питающего переменного напряжения, обеспечение поджига лампы и регули­рование мощности.

Функциональная схема пускорегу-лирующего устройства для ламп высо­кого давления представлена на рис. 2.

Схему можно разбить на восемь основных блоков:

• электромагнитный фильтр, который блокирует шумы в устройстве;
• пассивный выпрямитель;
• корректор коэффициента мощно¬сти, который используется для обес¬печения не искажения входного си¬нусоидального тока;
• обратноходовой конвертор для обеспечения управления током;
• полный мост для подачи переменно¬го напряжения на лампу;
• узел поджига лампы;
• узел контроля тока лампы;
• узел защиты и блокировки работы.

В настоящее время это самая на­дежная и популярная схема построения такого класса систем. Схема, приведен­ная на рис. 2, как правило, используется для ламп мощностью до 150 Вт. Корректор коэффициента мощности работает по схеме повышающего преоб­разователя в режиме критической про­водимости с постоянно, в зависимости от входных условий, изменяемой частотой и поддерживает постоянное значение напряжения на выходе порядка 400 В. Когда ключ ККМ (М1) включается, ток ка­тушки индуктивности (LBOOST) начинает линейно повышаться до своего пикового значения. При его достижении ключ от­ключается и ток на индуктивности стре­миться к нулю. Когда ток проходит через ноль, система включается вновь и цикл повторяется. Поскольку входное напря­жение синусоидальное, то на индукторе наблюдается треугольная форма тока. График работы корректора коэффициен­та мощности представлен на рис. 3.

Рис.3. График работы корректора коэффициента мощности электронного пускорегулирующего устройства

Время включения ключа будет посто­янным, а время выключения варьируется в зависимости от значения пикового тока в индуктивности для каждого цикла переключения. В качестве контроллера корректора коэффициента мощности можно использовать ИС ККМ IR1150. Обратноходовой преобразователь предназначен для контроля тока по­даваемого в нагрузку при подогреве, поджоге и управлении лампой. После поджига лампы ее сопротивление умень­шается, соответственно возрастает ток потребления.

Обратноходовой контрол­лер уменьшает ток до уровня, который не позволяет погаснуть лампе, при этом система управления следит за степенью насыщения катушки индуктивности. Во время запуска лампы блок управления поддерживает постоянную мощность на ней. Ток протекает через индуктор, ког­да ключ М2 замкнут, и имеет линейно нарастающую характеристику. Когда время включенного состояния ключа за­канчивается, ток, поддерживаемый ин­дуктивностью, течет через диод, заряжая конденсатор. После приближения значе­ния тока к нулю, ключ включается и цикл повторяется вновь. Система управления, измеряя мощность на нагрузке, управ­ляет временем включения и выключения транзистора. Для управления транзисто­ром можно воспользоваться драйвером верхнего ключа — IRS2117PBF, преобра­зующего уровень ШИМ сигнала в уро­вень управления транзистором.

Выход устройства представляет со­бой мостовую схему из транзисторов и схему поджига, состоящую из тран­зистора, динистора и конденсатора. Мостовая схема позволяет подавать на лампу низкочастотное переменное на­пряжение прямоугольной формы. Верх­ние ключи мостового преобразователя соединены с выходом обратноходового преобразователя, а с середины полу­мостов можно получать 180-ти градус­ное вращение фазы, необходимое для переменного напряжения. Схема поджи-га состоит из диака (DIGN), трансфор­матора (TIGN), конденсатора (CIGN), резистора (RIGN) и транзистора (MIGN). Когда напряжение на диаке достигает порогового значения (см. диаграммы на рис. 4), он включается и пульсирующий ток течет через первичную обмотку под­жигающего трансформатора (TIGN), за­ряжая конденсатор (CIGN).
Данная последовательность элемен­тов позволяет получить импульсы высо­кого напряжения на вторичной обмотке трансформатора, что позволяет зажечь лампу. Конденсатор CIGN заряжается через диак и разряжается через резис­тор RIGN, таким образом генерируется пульсирующее поджигающее напряже­ния на лампе (см рис. 4). Процесс пуль­саций прекращается после поджига лампы устройством контроля поджига путем закрытия ключа MIGN off.

В качестве управляющего контрол­лера ключами мостового инвертора компания International Rectifier выпускает ИС IRS2453D. ИС включает в себя мос­товой генератор и драйверы верхних и нижних ключей. Также ИС включает в себя вход удаленного включения/вы­ключения и интегрированные быстрые диоды для бутстрепного источника пи­тания верхних драйверов. Временные диаграммы, показывающие напряжение управления на входе СT, выходы уп­равления драйверов, вид напряжения в средних точках полумостов и напряже­ние на лампе представлены на рис. 5.

Рис.5. Диаграмма работы ИС IRS2453D управляющая лампой через мост из четырех транзисторов

В ИС встроен блок задержки на переключение ключей с установленным значением времени задержки 1.5 мксек. Эта задержка позволяет исключить по­явление сквозных токов в полумосте мостового инвертора и произвести пе­реключение транзисторов при прохож­дении напряжения через ноль.
Для обнаружения ошибок управле­ния, перегрузок схемы и лампы пускоре-гулирующее устройство должно содер­жать схему защиты, которая отключает или перезапускает устройство. Схема защиты должна реагировать на не под-жиг лампы, короткое замыкание, старе­ние лампы, повреждение колбы лампы, пропадание напряжения питания. Сиг­налы напряжения и тока могут использо­ваться не только системой управления для вычисления мощности и алгоритма управления, но и системой защиты для контроля предельных параметров. В схеме должен функционировать таймер, который прекратит работу устройства в том случае, если за определенный период времени устройство управле­ния не в состоянии поджечь лампу или провести подогрев. Окончание срока службы лампы можно определить, если контролировать напряжение падения или потребляемую мощность. Незави­симо от способа измерения ошибок ра­боты устройства основная задача узла защиты — обеспечение надежного фун­кционирования устройства. В настоящее время компания International Rectifier ведет разработ­ку новых ИС для управления лампами высокого давления, в течение года они будут запущены в производство.