Принцип работы газоразрядных ламп высокой интенсивности (HID) основан на образовании электрической дуги между вольфрамовыми электродами, помещенными в стеклянную колбу. Колба заполнена газом с малым содержанием ртути или другого металла, в зависимости от типа лампы. Газ обеспечивает первоначальное образование электрической дуги, которая в свою очередь разогревает и испаряет металл, образуя плазму. Плазма резко увеличивает интенсивность светового излучения дуги и снижает мощность, потребляемую лампой. В сравнении с люминесцентными лампами и лампами накаливания, HID-лампы имеют большую эффективность светового излучения на 1 Вт потребляемой мощности. В зависимости от химического состава вещества, заполняющего колбу, HID-лампы делятся на следующие основные типы:

• Ртутные лампы (Mercury Vapor Lamps);
• Металлогалоидные лампы (Metal Halide Lamps);
• Натриевые лампы (Sodium Vapor Lamps);
• Ксеноновые лампы (Xenon Arc Lamps).

HID-лампы имеют уникальные электрические характеристики и требуют специального метода управления. Обычно для поджига газоразрядной лампы используется напряжение порядка 3...4 кВ, также лампа требует ограничения тока во время подогрева и постоянного контроля мощности во время работы. Это важно для обеспечения повторения цветового излучения и яркости одинаковых ламп. В качестве управляющего напряжения лампы высокой интенсивности следует использовать переменное напряжение, что исключает миграцию ионов ртути. Также лампы должны работать на низкой частоте, обычно менее 200 Гц, что исключает акустический резонанс, который может повредить или разрушить колбу. Всем перечисленным требованиям отвечает новая микросхема IRS2573D, представленная компанией International Rectifier.

IRS2573D представляет собой микросхему электронного балласта с напряжением смещения драйверов до 600 В, разработанную специально для управления всеми типами газоразрядных ламп высокой интенсивности. Микросхема имеет большой набор полезных функций с возможностью регулировки. Она включает в себя контроллер понижающего преобразователя, контроллер мостового преобразователя, схему управления поджигом лампы и шесть драйверов силовых транзисторов. Внутренняя схема обеспечивает контроль работы лампы в режимах поджига, разогрева, нормальной работы и отказа, а также имеет перемножитель, служащий для точного измерения и контроля мощности лампы. Помимо этого IRS2573D обеспечивает комплексное обнаружение отказов и диагностику разомкнутой цепи, короткого замыкания, сбоев при зажигании и нагреве, а также условий окончания срока службы лампы. Блок-схема внутреннего устройства микросхемы представлена на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Функциональная блок-схема IRS2573D

Рассмотрим более подробно основные режимы работы и функционал основных блоков микросхемы.

 

Режим блокировки при пониженном
напряжении питания

Когда напряжение питания IRS2573D еще не достигло или падает ниже минимального уровня включения, микросхема входит в режим блокировки при пониженном напряжении питания (UVLO). В этом режиме выключены понижающий и мостовой преобразователи, остановлены таймер поджига и тактовый генератор, сброшены все счетчики. В режиме UVLO внутренняя схема обеспечивает минимальный ток потребления микросхемы равный 150 мкА и гарантирует полную работоспособность IRS2573D перед включением драйверов понижающего и мостового преобразователей. Как только напряжение питания достигает минимального уровня включения 10,5 В (при этом напряжение на выводе 16 (VSENSE) выше заданного порога на выводе 19 (OV), и напряжение на выводе 15 (RST) выше 1,5 В) микросхема включается, запускается тактовый генератор, и драйвер мостового преобразователя начинает выдавать сигналы на выводы 22, 24, 25, 27 (HO2, LO2, LO1, HO1).

 

Режим поджига

При первом включении микросхемы, если не срабатывает условие блокировки при пониженном напряжении питания (UVLO), IRS2573D запускает режим поджига (Ignition Mode), при этом включается таймер поджига. Частота таймера поджига задается величиной внешнего конденсатора, подключенного к выводу 13 (TIGN). Этот конденсатор линейно заряжается/разряжается выходным током вывода TIGN в фиксированном окне от 2 до 4 В (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Временная диаграмма таймера поджига IRS2573D

 

Частота перезаряда конденсатора тактирует таймер поджига (типовое значение 660 мс), который далее используется для управления драйвером поджига. Типовое время включенного/выключенного состояния драйвера составляет 21/64 секунд, соответственно. Логическая «1» на выходе драйвера (вывод IGN) включает MOSFET-транзистор, который, в свою очередь, запускает внешнюю цепь поджига. Цепь поджига будет постоянно пытаться зажечь лампу в течение 787 секунд. Если по прошествии этого времени лампа не загорается, IRS2573D переходит в режим ошибки (Fault Mode). Если лампа успешно зажглась, напряжение на выводе 16 (VSENSE) падает ниже порогового значения (VOV(2/5) = 1 В) вследствие низкого сопротивления лампы во включенном состоянии, и таймер поджига выключается.

 

Режим нормальной работы

Во время режима нормальной работы (General Mode) IRS2573D отслеживает различные изменения нагрузки:

• Холостой ход;
• Короткое замыкание;
• Работа на постоянной мощности;
• Критическое снижение/повышение напряжения на лампе.

Микросхема реагирует на различные ошибки путем включения/выключения понижающего преобразователя, изменением длительности включенного состояния управляющего транзистора понижающего преобразователя или, учитывая частоту появления различных ошибок, полным выключением микросхемы. IRS2573D определяет текущий режим работы, сравнивая напряжения на выводах VSENSE и ISENSE с заданными порогами на выводах OV и OC.

 

Контроллер мостового преобразователя

IRS2573D имеет полноценный драйвер верхнего и нижнего плеча для управления мостовым преобразователем, который, в свою очередь, обеспечивает питание HID-лампы переменным напряжением прямоугольной формы. Максимально допустимое напряжение смещения драйвера верхнего плеча составляет 600 В.

Полный мост начинает работать на заданной частоте сразу же после выхода из режима блокировки (UVLO) и включения микросхемы. Полный мост обычно работает на пониженной частоте (до 200 Гц), чтобы избежать повреждения лампы от акустического резонанса. Частота генератора задается внешним конденсатором, подключенным к выводу 12 (CT). Когда напряжение на конденсаторе достигает порогового значения 4 В, выходы драйвера (LO1, HO1, LO2, HO2) переключаются на противоположные значения. «Мертвое время» между переключениями транзисторов - фиксированное и равно 1 мкс. Чтобы исключить влияние импульса поджига лампы на средние точки моста (VS1 и VS2) в течение «мертвого времени», внутренняя логика подает «0» на вывод IGN, выключая внешний транзистор поджига. Полный мост прекращает работу только в случае, если микросхема находится в режиме ошибки или режиме UVLO.

 

Контроллер понижающего преобразователя

Контроллер понижающего преобразователя может работать в режиме непрерывного или прерывистого тока дросселя в зависимости от времени выключенного состояния управляющего транзистора или от величины протекающего через него пикового тока.

Во время нормальной работы лампы преобразователь работает в режиме прерывистого тока. Управляющий транзистор включается каждый раз, когда ток дросселя достигает нуля. Время проводящего состояния транзистора задается уровнем напряжения на выводе 10 микросхемы (PCOMP), а продолжительность выключенного состояния зависит от времени, необходимого, чтобы ток дросселя достиг нуля, о чем свидетельствует спадающий фронт сигнала на выводе 7 (ZX). При этом форма тока, протекающего через дроссель, имеет вид треугольника с пиковым значением, зависящим от величины индуктивности и времени включенного состояния.

Во время разогрева лампы или короткого замыкания преобразователь работает в режиме непрерывного тока дросселя. В этом режиме ток дросселя имеет постоянную составляющую с пульсациями, ограниченными сверху - заданным максимально допустимым значением тока, а снизу - максимальным временем выключенного состояния. В отличие от режима прерывистого тока, режим непрерывного тока позволяет пропускать через дроссель большее среднее значение тока, не вызывая его насыщения.

 

Контроль постоянной мощности лампы

После поджига лампы в режиме нормальной работы IRS2573D поддерживает мощность лампы на постоянном уровне. Для реализации этой функции напряжения с выводов VSENSE и ISENSE (соответствующих напряжению на лампе и току через нее) подаются на встроенный перемножитель напряжений. Полученное на выходе напряжение (пропорциональное мощности) сравнивается с опорным напряжением и при необходимости регулируется посредством изменения длительности проводящего состояния транзистора понижающего преобразователя. Таким образом осуществляется стабилизация мощности лампы.

 

Ограничение тока лампы

В режиме разогрева лампы напряжение на ней может быть очень малым (порядка 20 В) и схема контроля мощности будет пытаться увеличить ток лампы до нескольких ампер, чтобы обеспечить условие постоянной мощности. Таким образом, значение тока лампы может превысить максимально допустимое значение, заявленное производителем для конкретного типа HID-лампы. Для предотвращения такой ситуации в IRS2573D была дополнительно добавлена цепь ограничения тока лампы заданным значением.

 

Демонстрационная плата IRPLHID2
для электронного балласта IRS2573D

IRPLHID2 представляет собой законченное решение для балласта HID-лампы мощностью до 70 Вт. Плата включает в себя ЭМИ фильтр, активный ККМ, понижающий преобразователь и схему электронного балласта на основе IRS2573D (рис. 3).

 

 

Рис.3. Функциональная блок-схема демонстрационной платы IRPLHID2

 

Устройство наглядно демонстрирует технику трассировки печатной платы с использованием IRS2573D и позволяет в короткие сроки освоить применение микросхемы. Основные особенности устройства:

• Входное переменное напряжение 185...265В;
• Высокий коэффициент мощности 0,98 при ~220В;
• Контролируемый поджиг лампы;
• Пониженная рабочая частота 149Гц;
• Контроль напряжения и тока лампы;
• Защита от холостого хода;
• Защита от короткого замыкания и перегрева лампы;
• Контроль срока службы лампы.

 

Заключение

Ранее, решая задачи в области управления газоразрядными лампами высокой эффективности, разработчикам приходилось использовать как минимум две микросхемы для раздельного управления понижающим преобразователем и мостовым преобразователем, при этом невозможно было контролировать все режимы работы лампы и отслеживать сбои во время ее эксплуатации. Новый электронный балласт IRS2573D от компании International Rectifier совместил в себе все необходимые устройства, необходимые для управления HID-лампами. В состав микросхемы входят контроллер понижающего преобразователя, контроллер мостового преобразователя, устройство обеспечивает режим поджига лампы, ее работу на постоянной мощности, отслеживает критические режимы: холостого хода, короткого замыкания, перегрева и выхода лампы из строя. Таким образом, с применением электронного балласта IRS2573D в несколько раз упрощается процесс разработки устройства для управления любыми типами HID-ламп.

Все материалы взяты с сайта производителя http://www.irf.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: power.vesti@compel.ru