Elektronisches Ballast: Arbeitsprinzip & Schaltplan
Was ist mit elektronischer Ballast gemeint?
Ein elektronischer Ballast, auch als elektrischer Ballast bezeichnet, ist ein Bauteil der Ausrüstung, das die Anfangsspannung und -ströme der Beleuchtungsanlagen steuert.
Dies wird durch die Verwendung der elektrischen Gasentladungstechnik erreicht. Um die Gasentladungsmethode in Leuchtstofflampen zu starten, wandelt ein elektronischer Ballast die Netzfrequenz in eine sehr hohe Frequenz um, indem er die Spannung über der Birne und den Strom durch die Lampe steuert.
Blockschaltbild eines elektronischen Ballasts
Das grundlegende Blockschaltbild des elektronischen Ballasts ist unten dargestellt.
Das Blockschaltbild des elektronischen Ballasts besteht aus fünf Blöcken, wie in der obigen Abbildung gezeigt. Im Allgemeinen entsprechen alle elektronischen Ballaste diesem Blockschaltbild.
1). EMI-Filter
Der elektromagnetische Störfilter wird durch Block 1 dargestellt. EMI-Filter bestehen aus Spulen und Kondensatoren, die elektromagnetische Störungen blockieren oder minimieren.
2). Gleichrichter
Der Gleichrichterschaltung wird durch Block 2 dargestellt. Die Gleichrichterschaltung wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um.
3). DC-Filter
Die DC-Filter-Schaltung wird durch Block 3 dargestellt. Ein Kondensator ist das Bauteil der DC-Filter-Schaltung, das für die Filterung des unreinen Gleichstroms verantwortlich ist, der von der Gleichrichterschaltung erzeugt wird.
4). Inverter
Die Inverterschaltung wird durch Block 4 dargestellt. Der Gleichstrom wird in diesem Block in hochfrequenten Wechselstrom umgewandelt, und ein Spannungswandler erhöht die Leistungsebene.
5). Steuerschaltung
Die Steuerschaltung, dargestellt durch Block 5, empfängt Rückmeldungen vom Ausgang und regelt die Gleichrichter-, Filter- und Inverterschaltungen. Die Mehrheit der elektronischen Ballaste fehlt dieser Block.
Schaltplan eines elektronischen Ballasts
Das IRS2526DS „Mini8“-Ballaststeuer-IC ist der zentrale Punkt des Designs für einen 26 W elektronischen Ballastkreis, der keine PFC verwendet. Sowohl die Beleuchtung als auch die halbbrückengekoppelte resonante Ausgangsstufe werden vollständig durch den Kreis gesteuert. Die Frequenz der „HO“- und „LO“-Pins, die Ausgänge des Halbbrücken-Gatter-Treibers sind, wird durch den „VCO“-Pin eingestellt. Die erforderlichen VCO-Spannungspegel werden durch einen Widerstandswiderstandsverteilung am „VCO“-Pin programmiert. Die Frequenz des internen spannungsgesteuerten Oszillators wird durch die Werte dieser Spannungspegel bestimmt. Das Signal des internen Oszillators wird dann in die Logikschaltkreise der Hoch- und Niederseite der Gattertreiber gesendet. Dies ermöglicht es, die notwendigen Vorwärm-, Zünd- und Betriebsfrequenzen für die Halbbrücke und die resonante Ausgangsstufe zu erzeugen. Zum Zweck der Bereitstellung einer konstanten Lampenzündspannung und zur Identifizierung einer Endlebensfehlerstelle wird eine Lampenspannungswiderstandsverteilung (REOL1, REOL2, REOL3, RIGN1) und eine Rückkopplungsschaltung (CIGN1, DR1, DR2, DIGN, REOL, CEOL, DEOL+, DEOL-) verwendet.
Funktionsprinzip des elektronischen Ballasts
Elektronische Ballaste benötigen bei 50 – 60 Hz Strom. Zunächst wird die Wechselspannung in Gleichspannung umgewandelt. Anschließend wird die Gleichspannung mit Hilfe einer Kondensatoranordnung gefiltert. Die gefilterte Gleichspannung wird nun in die Hochfrequenzoszillationsstufe eingespeist, wobei die Oszillation normalerweise quadratisch ist und die Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 80 kHz liegt.
Als Ergebnis dessen ist die Frequenz des Ausgangsstroms extrem hoch. Um einen hohen Wert zu erzielen, wird eine kleine Menge Induktivität so gekoppelt, dass sie eine erhöhte Änderungsrate des Stroms bei hoher Frequenz aufweist.
Oftmals werden mehr als 400 V benötigt, um den Gasentladungsprozess in Leuchtstoffröhren zu initiieren. Wenn der Schalter eingeschaltet wird, erreicht die anfängliche Spannung über der Birne 1000 V aufgrund des hohen Werts, und die Gasentladung tritt sofort ein.
Wenn der Entladungsprozess beginnt, wird die Spannung über der Birne von 230V auf 125V reduziert, und der elektronische Ballast erlaubt einen begrenzten Strom, durch die Lampe zu fließen.
Die Steuereinheit des elektronischen Ballasts steuert die Spannung und den Strom. Wenn Leuchtstofflampen eingeschaltet werden, fungiert der elektronische Ballast als Dimmer, der Strom und Spannung begrenzt.
Leistung des elektronischen Ballasts
Verschiedene Metriken werden verwendet, um die Effektivität elektronischer Ballaste zu bewerten.
Der Ballastfaktor ist der wichtigste. Er ist das Verhältnis des Lichtausgangs der Lampe, wenn sie vom untersuchten Ballast betrieben wird, zum Lichtausgang der Lampe, wenn sie vom Referenzballast betrieben wird.
Für elektronische Ballaste wird dieser Wert als zwischen 0,73 und 1,50 gemeldet.
Ein einzelner Ballast kann eine große Vielfalt an Lichtausgabewerten bieten, was die Relevanz eines solch breiten Bereichs darstellt.
Dies hat viele Anwendungen in Dimmerschaltungen. Es wurde jedoch gezeigt, dass sowohl übermäßig hohe als auch übermäßig niedrige Ballastfaktoren die Lebensdauer der Lampe aufgrund von Lumenabbau, verursacht durch hohe und niedrige Lampenströme, jeweils verringern.
Ballasteffizienzfaktor, welcher das Verhältnis des Ballastfaktors (in %) zur Leistung darstellt, bietet eine relative Messung der Systemeffizienz der gesamten Lampe-Ballast-Kombination und wird häufig verwendet, um elektronische Ballaste vom gleichen Modell und Hersteller zu vergleichen.
Ballastbetriebseffizienz wird mithilfe des Leistungsfaktors (PF) gemessen. Die Fähigkeit des elektronischen Ballastes, die Versorgungsspannung und den Strom in nutzbare Leistung umzuwandeln und an die Beleuchtung zu liefern, wird durch seinen Leistungsfaktor gemessen, wobei 1 der optimale Wert ist. Im Gegensatz dazu benötigen Ballaste mit niedrigem Leistungsfaktor fast doppelt so viel Strom wie Ballaste mit höherem Leistungsfaktor und können daher weniger Lampen in einem Schaltkreis unterstützen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass der Ballast weniger Licht bereitstellen kann.
Jedes elektrische Gerät hat eine Grenze, bis zu welcher es linear sein kann, und wenn das Eingangssignal diese Grenze überschreitet, wird das Signal verzerrt, was zu nichtlinearen und harmonischen Verzerrungen führt. Harmonische Verzerrung, die als Gesamtharmonische Verzerrung bewertet wird, tritt auf, wenn die Signalfrequenz vom typischen Sinuswellenform abweicht.
Die harmonische Stromverzerrung, die elektronische Ballaste dem Stromversorgungssystem hinzufügen, wird als THD bezeichnet. Obwohl die ANSI-Normen eine maximale Verzerrung von bis zu 32% zulassen, streben die meisten Hersteller an, die THD unter 20% zu halten. Es ist einfacher, Verzerrungen auf diesen Niveaus mit elektronischen Ballasten zu halten, als dies mit magnetischen oder hybriden Ballasten der Fall ist.
Vorteile des elektronischen Ballasts
Die Zuverlässigkeit des Ballasts nimmt mit der Zeit ab; je länger er in Betrieb ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls. Im Vergleich zu magnetischen Ballasten sinkt die Lichtstärke der Lampen bei Verwendung von elektronischen Ballasten langsamer.
Diese Geräte sind nicht nur erheblich leichter und effizienter, sondern auch viel leiser.
Im Vergleich zu magnetischen oder hybriden Ballasten beträgt der Verlustleistung mit elektronischen Ballasten etwa die Hälfte.
Darüber hinaus können sie aufgrund der hohen Spannungsanforderungen der Birnen leicht Lampen betreiben, die nicht direkt durch einen Choke in der Leitung betrieben werden können.
In Lampen-Ballast-Systemen kann die Energieeffizienz hauptsächlich auf drei Arten verbessert werden: durch die Reduzierung der Ballastverluste, das Betreiben bei höheren Frequenzen und die Reduzierung der Verluste an den Lampenelektroden. Elektronische Ballaste sind energieeffizienter, da sie alle drei Eigenschaften gleichzeitig aufweisen.
Nachteile des elektronischen Ballasts
Elektronische Ballaste erzeugen starke harmonische Ströme durch Wechselstromspitzen um die Spannungshöchstwerte. Dies kann neben Problemen im Beleuchtungssystem Streufelder, Rohrkorrosion, Störungen im Radio- und Fernsehempfang sowie Ausfälle von IT-Geräten verursachen.
Ein hoher harmonischer Anteil kann Drehstromtransformatoren und Neutralleiter überlasten. Das menschliche Auge mag eine höhere Flackerrate nicht wahrnehmen, aber Infrarot-Fernbedienungen für Unterhaltungselektronik wie Fernsehgeräte können beeinträchtigt werden.
Intelligente Ballastdokumentation und -design reduzieren Störungen in den Anwendungsfrequenzbereichen.
Es gibt jedoch einige unentdeckte Nischen im Frequenzspektrum, die in keiner Anwendung verwendet werden, und die meisten Ballaststörungen in diesem Bereich werden ignoriert, was ein saubereres Bild auf Papier als in der Realität ergibt.
Elektronische Ballaste können keine Stromspitzen und Überlastungen bewältigen.
Elektronische Ballaste haben auch hohe Anschaffungskosten, die impulsiven Käufern abschreckend wirken können, aber sie lohnen sich langfristig.
Anwendung des elektronischen Ballasts
1). Die Ausgangsleistung konstant halten
Halten Sie die ständige Ausgangsleistung der Lampen konstant. Die Technik des rechteckförmigen Stromsicherstellt, dass keine akustischen Resonanzphänomene auftreten.
