Экономичный преобразователь для питания ЛДС
|
Описываемое устройство предназначено для питания люминесцентных ламп при освещении гаража, садового домика или других небольших помещений. Оно выполнено на доступных элементах и без труда может быть повторено радиолюбителями средней квалификации. К достоинствам устройства, в частности, относится его способность работать при пониженном до 5 В напряжении питания. Исследования последних лет показали, что при питании люминесцентных ламп током высокой (> 20 кГц) частоты существенно повышается их световая отдача (см. статью С. Д. Рудыка, В. Е. Турчанинова, С. Н. Флоренцева "Высокочастотный преобразователь напряжения с высоким коэффициентом мощности по входу для питания люминесцентной лампы". — Электротехника, 1996, № 4, с. 31 — 33). Так у компактных ламп мощностью до 50 Вт она достигает 26...35 %. Происходит это в основном за счет снижения приэлектродных потерь мощности. При импульсном питании ламп токами высокой частоты они уменьшаются в два-три раза. Разработанный автором преобразователь рассчитан на питание люминесцентных ламп ЛБУ-30 мощностью 30 Вт и имеет следующие технические характеристики: номинальное напряжение питания — 13,2 В; номинальный входной ток — 2,6 А; частота преобразования — 20...25 кГц; КПД устройства — 85 %. 
Структурная схема преобразователя показана на рис. 1. Он выполнен на базе инвертора напряжения, нагруженного на последовательный колебательный контур, образованный катушкой индуктивности L1 и конденсатором С1, параллельно которому включена люминесцентная лампа EL1. Инвертор преобразует постоянное напряжение аккумуляторной батареи 13,2 В в переменное, в виде импульсов прямоугольной формы амплитудой 150В, поступающее на последовательный колебательный контур L1С1. Резонансная частота контура равна частоте питающего напряжения, а ток, протекающий через нагрузку, подключенную к конденсатору контура, не зависит от ее сопротивления. При этом в момент подачи питающего напряжения сопротивление лампы EL1 велико, к конденсатору С1 приложено высокое напряжение, а через катушку индуктивности L1 протекает ток, превышающий номинальное значение. Этот ток течет и через нити накала ЕL1, разогревая их, что обеспечивает надежное включение лампы. При загорании лампы ее сопротивление падает и шунтирует конденсатор С1. В результате напряжение на нем падает до значения, поддерживающего горение лампы, а ток через катушку индуктивности L1 снижается до номинальной величины. 
Принципиальная электрическая схема преобразователя показана на рис. 2. Колебательный контур образован элементами L2, С7. Инвертор выполнен по схеме двухтактного автогенератора с положительной обратной связью по току (ПОСТ) на элементах Т1, Т2, L1, VT1, VT2, VD1—VD6, С2—С5, R1— R4. Такое построение инвертора позволяет минимизировать энергию, затрачиваемую на управление ключевыми транзисторами VT1, VT2, и снизить влияние напряжения источника питания на стабильность работы преобразователя. В этом случае легко обеспечиваются и оптимальные частоты преобразования. Кроме указанных выше элементов, преобразователь содержит плавкий предохранитель FU1, конденсатор С1, защищающий источник питания от импульсных токов, и цепочку С6R5, подавляющую высокочастотные колебания напряжения на обмотках трансформатора Т2. Работает преобразователь следующим образом. В момент подачи питающего напряжения транзисторы VT1, VT2 закрыты и напряжение на их коллекторах равно напряжению питания. Через резисторы R1, R2 протекает ток, заряжающий конденсаторы С2, С3 в направлении, противоположном их полярности, указанной на схеме. Через некоторое время напряжение на базе одного из транзисторов (например, VT1) достигнет порога его открывания и через коллекторную цепь потечет ток, который пройдет также через источник питания, обмотку I трансформатора Т2 и обмотку III трансформатора Т1. В результате появится ток и в обмотке II трансформатора Т1, который, в свою очередь, потечет через конденсатор С2 и переход база — эмиттер транзистора VT1. При этом VT1 входит в режим насыщения, а конденсатор С2 перезаряжается в соответствии с указанной на схеме полярностью. Его перезарядка ограничивается диодом VD1. Таким образом происходит запуск преобразователя. Транзистор VT1 будет находиться в состоянии насыщения до тех пор, пока не прекратится базовый ток, что может произойти в результате снижения тока через первичную обмотку трансформатора Т2 или при коротком замыкании обмоток трансформатора Т1. Запускается преобразователь на резонансной частоте контура L2С7, и транзисторы VT1, VT2 будут переключаться в момент перехода через нуль тока дросселя L2. После зажигания лампы ЕL1 и шунтирования ею конденсатора С7 передача энергии дросселя L2 лампе и конденсатору С7 затягивается и частота преобразования снижается. Ее стабилизация при этом происходит на уровне, определяемом временем перемагничивания дросселя L1, который, насыщаясь, замыкает накоротко обмотку трансформатора Т1, что приводит к закрыванию одного транзистора и открыванию другого. Частота настройки колебательного контура выбрана равной 46 кГц, а рабочая частота преобразователя — 20...25 кГц. При таком отношении частот обеспечивается максимальная эффективность работы. Цепочки С4VD5RЗ и С5VD6R4 служат для снижения амплитуды коммутационного импульса на коллекторах транзисторов VT1, VT2 при их закрывании. Преобразователь смонтирован на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 200x50 мм. Он может быть встроен в светильник или помещен в отдельный кожух. При монтаже дроссель L1 и трансформатор Т1 желательно разместить возможно дальше от трансформатора Т2 и дросселя L2, а оксидные конденсаторы С2, СЗ не располагать в непосредственной близости от транзисторовVT1, VT2 и резистора R5. В преобразователе применены резисторы МЛТ конденсаторы К73-17 (С1, С4, С5) на напряжение 63 В, К50-35 (С2, СЗ) на напряжение 25 В и К15-5 (С6, С7) на напряжение 1,6 кВ. Транзисторы КТ803А можно заменить на КТ908 с любыми буквенными индексами. Их желательно выбрать с одинаковым коэффициентом передачи тока базы. Каждый транзистор установлен на теплоотводе площадью 50 см2. Примененные в устройстве диоды КД105 могут иметь любой буквенный индекс. Подойдут и другие низкочастотные диоды с допустимым прямым током не менее 0,5 А. Диоды КД212 (VD3 — VD6) также могут быть с любым буквенным индексом. Их допустимо заменить другими кремниевыми, способными работать на частотах до 50 кГц и допускающими прямой ток не менее 2 А и обратное напряжение не менее 50В. Дроссели и трансформаторы намотаны на кольцевых магнитопроводах из феррита М2000НМ-1. Обмотки дросселей L1,L2 размещены на магнитопроводах К7х4х2 и К40х25х11 и содержат 5 витков провода ПЭВ-2 0,63 и 140 витков провода ПЭВ-2 0,41 соответственно. Обмотки трансформаторов Т1, Т2 намотаны на магнитопроводах К20х12х6 и К40х25х11 соответственно. Обмотки I, III и III' трансформатора Т1 содержат по 3 витка провода ПЭВ-2 0,63, а II и III — по 12 витков провода ПЭВ-2 0,41. Каждая из обмоток I и Г трансформатора Т2 состоит из 11 витков провода ПЭВ-2 0,8, а обмотка II — из 140 витков провода ПЭВ-2 0,41. Обмотки I и Г трансформатора Т2 намотаны одновременно в два провода поверх обмотки II. Между обмотками следует проложить лакоткань. Обмотки трансформатора Т1 необходимо расположить в соответствии со схемой, показанной на рис. 3. Обмотка I должна размещаться симметрично относительно остальных обмоток с целью обеспечения симметрии полупериодов выходного напряжения и исключения одностороннего насыщения магнитопровода трансформатора, приводящего к увеличению потерь энергии. Дроссель L2 должен иметь немагнитный зазор. Для этого в его сердечнике перед намоткой нужно сделать пропил шириной 0,8 мм. 
На время налаживания преобразователя вместо лампы EL1 и конденсатора С7 последовательно с дросселемL2 включают резистор сопротивлением 1 кОм и мощностью 5...10 Вт. Вначале проверяют надежность запуска преобразователя. Для этого на него подают питающее напряжение 5 В и, если он не начинает генерировать прямоугольные импульсы частотой 20...25 кГц, уменьшают сопротивление резисторов R1 R2, но не более чем в три раза. Далее контролируют частоту генерации преобразователя. Для этого на него подают номинальное напряжение питания 13,2 В и с помощью осциллографа или частотомера определяют частоту переменного напряжения на обмотках трансформатора Т2. Если она выходит за пределы 20...25 кГц, изменяют число витков дросселя L1. Для увеличения частоты его уменьшают, а для снижения увеличивают. После этого восстанавливают выходные цепи преобразователя и последовательно с дросселем L2 включают резистор сопротивлением 10 Ом и мощностью 0,5...1,0 Вт. Затем на преобразователь подают номинальное напряжение питания, и после загорания лампы EL1 с помощью осциллографа контролируют форму напряжения на вновь установленном резисторе: она должна быть близкой к синусоидальной. Ток через дроссель L2 должен составлять около 0,22 А. При подаче питания на преобразователь лампа должна загораться не позднее 1...2с. Помимо лампы ЛБУ-30 совместно с описанным преобразователем могут работать и другие, рассчитанные на те же напряжение и ток, например, ЛБ-40. Кузнецов Олег
|