IR2159, IR21591 — прецизионные контроллеры диммеров нового поколения

Введение

Наряду с потребностью в современных электронных балластах для ламп с постоянной мощностью в последние годы растет спрос и расширяется область применения диммеров — электронных балластов для ламп с регулируемой мощностью, прежде всего для управления флуоресцентными лампами. Как и электронные балласты, диммеры объединяют в себе узлы, предназначенные для фильтрации электромагнитных помех, генерируемых балластом, выпрямления сети, коррекции коэффициента мощности для входного синусоидального тока, блокировки работы при пониженном напряжении и защиты от аварийных ситуаций, управления полумостовым каскадом на ключевых элементах, выходной каскад управления лампой. Они должны обеспечивать гибкое управление сменой режимов предварительного подогрева, поджига и запуска рабочего режима. Помимо этого, диммеры содержат узлы контроля мощности, излучаемой лампой, узлы формирования управляющих сигналов по рассогласованию между заданной и реальной мощностью на лампе и должны обеспечивать регулирование мощности в широких пределах.

Широкое внедрение диммеров до последнего времени сдерживалось вследствие сложной схемотехники, повышенных габаритов и цены, недостаточной точности регулирования и помехоустойчивости. В большинстве случаев для контроля мощ- ности, излучаемой лампой, использовалась схема, представленная на рис. 1а. Этот метод основан на контроле тока лампы. Для его реализации необходимо использовать трансформаторы тока, которые обеспечивают изоляцию тока лампы от тока нити накала.

а)

б)

Рис. 1. Схемы выходных диммеров с контролем тока (а) и фазовым управлением (б)

Другой возможной схемой управления является схема, представленная на рис. 1б. Она основана на фазовом методе управления мощностью. Для его реализации используется резистор в цепи нижнего ключа полумоста для определения момента перехода тока через нулевое значение и вычисления разности фаз между током и напряжением питания.

Регулирование мощности излучения лампы обеспечивается сдвигом фазы тока относительно фазы напряжения. В этом случае, по сравнению с балластами для ламп с постоянной мощностью рассеивания, в диммере присутствует всего один новый малогабаритный элемент — последовательный резистор. Таким образом, появляется возможность не только уменьшить габариты балласта, но и максимально унифицировать их печатные платы.

Несмотря на такие преимущества фазового метода управления, как широкий диапазон, высокая линейность и помехоустойчивость управления, простота реализации выходного каскада, его использование в диммерах сдерживалась из-за отсутствия эффективной схемотехнической реализации его в интегральных схемах.

Используя большой опыт своих разработок высоковольтных интегральных драйверов и контроллеров электронных балластов, компания International Rectifier разработала ИС контроллеров диммеров IR2159 и IR21591, реализующих фазовый метод управления. Благодаря высокой точности, широким фукциональным возможностям, развитым функциям защиты, простоте реализации балласта их внедрение открывает возможности создания диммеров, предназначенных для решения широкого круга задач — от регулирования мощности в сравнительно простых светильниках до прецизионного регулирования мощности с высокой точностью и в широком диапазоне в лампах для специальных устройств.

По итогам конкурса, проведенного журналом EDN, ИС IR2159 была признана лучшей силовой микросхемой 1999 года.

1. Фазовый метод димминга

Для пояснения метода фазового управления можно использовать упрощенную модель выходного каскада (рис. 2). Нити лампы заменены резисторами R1-R4, а лампа — резистором Rlamp.

Во время режима подогрева и предварительного поджига выходной каскад представляет собой последовательное соединение L и С. Он является колебательным контуром с высокой добротностью Q и быстрым характером изменения фазы от +90 до -90 градусов в районе резонансной частоты (рис. 3). Для рабочих частот, лежащих выше частоты резонанса, фаза зафиксирована на уровне -90 градусов.

В режиме димминга контур представляет собой последовательное соединение L с параллельно соединенными R и С. В этом режиме фазовая задержка имеет небольшую отрицательную величину при большой мощности, рассеиваемой лампой, и большую отрицательную величину при малой мощности.

В общем случае входной ток сдвинут на -90 градусов по отношению ко входному напряжению полумоста во время подогрева и поджига (рис. 4).

В режиме запуска сдвиг фазы находится в диапазоне о 0 до -90 градусов. Нулевой сдвиг фаз соответствует максимальной мощности на лампе.

Упрощенной модели на рис. 2 соответствует передаточная функция (1):

В перечисленных режимах сопротивления нитей несущественны по сравнению с сопротивлением лампы.

Фазовая характеристика имеет вид (2)

где:

L — индуктивность выходного каскада [Гн];

С — емкость выходного каскада [Ф];

Р% — мощность на лампе [Вт];

V% — амплитуда напряжения, соответствующая мощности на лампе в данный момент [B];

f% — частота, соответствующая мощности на лампе в данный момент [Гц].

Частота для каждого значения мощности, рассеиваемой на лампе, может быть определена из передаточной функции для выходного каскада (отношение выходного напряжения ко входному) как (3)

Если изобразить график для фазы как функции мощности рассеивания на лампе на основе соотношения (2), то результатом будет линейная характеристика димминга (рис. 5), справедливая даже для очень малых значений мощности, когда сопротивление лампы может изменяться на порядки. Это соотношение между фазой входного тока и мощностью запуска на лампе характерно для управления диммингом с обратной связью.

Главное преимущество замкнутого управления диммингом состоит в обеспечении надежного отслеживания управляющего сигнала при воздействии шумов. При традиционном замкнутом фазовом методе управления сигнал обратной связи по частоте сравнивается с сигналом задающей частоты, и разница подается на вход генератора, управляемого напряжением (ГУН). ГУН перестраивает частоту до тех пор, пока разница между задающей и реальной частотами не станет равной нулю. Для управления флуоресцентной лампой в эту цепь необходимо дополнительно вставить выходной каскад между выходом ГУН и устройством сравнения (на рис. 6 обозначены ГУН–VCO, выходной каскад — Output Stage). Рассогласование между требуемой фазой и фазой выходного каскада заставляет ГУН изменять в нужном направлении частоту, определяемую передаточной функцией так, чтобы это рассогласование стремилось к нулю.

При достижении желаемого результата фазовый детектор (PDET) вырабатывает только короткие импульсы, которые заставляют интегратор на входе ГУН удерживать фазу тока выходного каскада в точности, равной заданной.

Структурная схема на рис. 6 содержит два интегратора. Первый из них присутствует, поскольку фаза является интегралом по времени от частоты, а второй является интегратором фильтра импульсов рассогласования. Коэффициент усиления разомкнутого контура падает при росте частоты с коэффициентом 20 дБ/декаду до собственной частоты фильтра и с коэффициентом 40 дБ/декаду выше этой частоты. Поскольку коэффициент усиления К3 выходного каскада зависит от мощности излучения лампы, во всем диапазоне димминга должны быть проверены диапазоны изменения усиления и фазы.

При расмотренном подходе, следовательно, не контролируются ни ток, ни напряжение на лампе. Таким образом, контур управления нечувствителен ко всем отрицательным явлениям на лампе, связанным с характером изменения ее сопротивления.

2. Требования к лампе в режиме димминга

Для балластов с нерегулируемой мощностью излучения лампы набор требований к последней включает в себя ток подогрева, максимально возможное напряжение во время подогрева, минимальное напряжение, необходимое для поджига, и мощность запуска. Индуктивность и емкость выходного каскада при заданном входном напряжении должны быть выбраны так, чтобы удовлетворялись все эти требования.

Для обеспечения димминга нити лампы должны быть подогреты до нужной температуры эмиссии для предотвращения погасания лампы. Чрезмерный подогрев может вызвать преждевременное почернение и сокращение срока службы лампы. В этом случае выбор величин L и С включает проверку тока нити при каждом уровне мощности для обеспечения правильного подогрева. Величина тока нити связана с величиной конденсатора соотношением (4)

Со снижением мощности напряжение на лампе вначале растет, достигая максимума при 20 % мощности (это связано с особенностями импеданса лампы), а затем снова уменьшается (рис. 7).

Поскольку ток подогрева растет с увеличением частоты и напряжения, его надо проверять для каждого уровня мощности, ориентируясь на максимальное значение напряжения, чтобы избежать перегрева нити. Поскольку изготовители ламп не приводят значения максимального напряжения на лампе при регулировании мощности, эту величину необходимо определять экспериментально для выбранного типа лампы при проектировании диммера.

3. Описание

ИС IR2159 и IR21591 являются функционально законченными программируемыми контроллерами диммеров флуоресцентных ламп любого типа и мощности, полностью отвечающим всем современным требованиям по обеспечению надежной работы и удобству эксплуатации, а также по защите ламп и самого балласта. Отличие этих ИС состоит только в быстродействии: IR21591 способна работать на более высоких частотах.

В этих ИС реализован бестрансформаторный фазовый метод контроля и управления мощностью излучения лампы, что позволяет максимально унифицировать конструкции диммеров с конструкцией балластов на базе ИС IR21571 для ламп с постоянной мощностью. Конструкция контроллеров позволяет автоматически выполнять необходимую временную последовательность режимов работы— старт, предварительный подогрев, поджиг, программируемый переходной режим от поджига к диммингу и димминг. Развитые функции защиты от работы при низком напряжении сети, отсутствия поджига лампы, повреждения нити лампы, погасания лампы, ее отсутствия, перегрева и возможность авторестарта обеспечивают высокую надежность функционирования диммеров. Центральным узлом ИС является управлемый напряжением генератор с возможностью внешнего программирования частоты.

По сравнению с приборами, представленными на рынке, IR2159 и IR21591 обладают целым рядом преимуществ, таких как:

• объединение в ИС функций контроллера и драйвера полумоста;
• бестрансформаторный метод контроля мощности лампы;
• управление с обратной связью;
• управление с обратной связью током подогрева;
• программируемое время подогрева;
• программируемый ток подогрева;
• программируемое время перехода от поджига к диммингу;
• высокая линейность регулирования мощности лампы;
• диапазон регулирования мощности, излучаемой лампой, от 1 % до максимума;
• устойчивый поджиг и переход в димминг при любом уровне мощности рассеивания на лампе;
• программируемые установки минимальной и максимальной мощности лампы для исключения возможных аварийных ситуаций при потере управляющего сигнала;
• высокая помехоустойчивость за счет бланкирования шумов переключения;
• полная защита лампы и электронного балласта.

Программирование ИС осуществляется при помощи выбора номиналов навесных элементов. ИС IR2159/IR21591 выпускаются в пластмассовых 16-выводных DIP и узких планарных корпусах. Расположение выводов представлено на рис. 8, а назначение — в табл. 3.