Elektronische ballast: Werkingsprincipe & Schakelschema
Wat wordt bedoeld met elektronische balans?
Een elektronische balans, ook wel elektrische balans genoemd, is een onderdeel van apparatuur dat de startspanning en -stromen van verlichtingsapparaten regelt.
Dit wordt bereikt door het gebruik van de elektrogasontladingstechniek. Om de gasontladingsmethode in fluorescerende lampen te starten, zet een elektronische balans de netsfrequentie om naar een zeer hoge frequentie door de spanning over de gloeilamp en de stroom door de lamp te beheren.
Blokdiagram van elektronische balans
Het basisblokdiagram van de elektronische balans is hieronder weergegeven.
Het blokdiagram van de elektronische balans bestaat uit vijf blokken, zoals weergegeven in de afbeelding hierboven. In het algemeen volgen alle elektronische ballasten dit blokdiagram.
1). EMI-filter
Het elektromagnetische interferentiefilter wordt weergegeven door Blok 1. EMI-filters bestaan uit spoelen en condensatoren die elektromagnetische interferentie blokkeren of minimaliseren.
2). Gelijkrichter
Het gelijkrichtercircuit wordt weergegeven door Blok 2. Het gelijkrichtercircuit zet wisselstroom om in gelijkstroom.
3). DC-filter
Het DC-filtercircuit wordt weergegeven door Blok 3. Een condensator is het onderdeel van het DC-filtercircuit dat verantwoordelijk is voor het filteren van de onzuivere gelijkstroom die door het gelijkrichtercircuit wordt gegenereerd.
4). Inverter
Het invertercircuit wordt weergegeven door Blok 4. De gelijkstroom wordt in dit blok omgezet in hoogfrequente wisselstroom, en een spanningsverhogende transformator verhoogt het vermogen.
5). Regelcircuit
Het regelcircuit, weergegeven door Blok 5, ontvangt feedback van de uitvoer en reguleert de gelijkrichter, filter en invertercircuits. De meeste elektronische ballasten ontberen dit blok.
Schakeling van elektronische balans
De IRS2526DS "Mini8" Ballast Control IC is het kernpunt van het ontwerp voor een 26 W elektronische balansschakeling die geen PFC gebruikt. Zowel het licht als de halfbrug resonante uitgangsstadium worden volledig gecontroleerd door het circuit. De frequentie van de 'HO' en 'LO' pinnen, die uitvoer zijn van de halfbruggate driver, wordt aangepast door de 'VCO' pin. Het programmeren van de vereiste VCO-spanningsniveaus vereist een weerstandsspanningsdeler op de 'VCO' pin. De frequentie van de interne spanningsgestuurde oscillator wordt bepaald door de waarden van deze spanningsniveaus. Het signaal van de interne oscillator wordt vervolgens doorgestuurd naar de logica van de high-side en low-side gatedrivers. Dit stelt de benodigde voorverwarmings-, ontstekings- en werkingfrequenties in staat voor het halfbrug- & resonante uitgangsstadium. Voor het leveren van een constante lampontstekingspanning en het identificeren van een eind-levenlampfoutinstelling, worden een lampspanningsdeler (REOL1, REOL2, REOL3, RIGN1) en een feedbackcircuit (CIGN1, DR1, DR2, DIGN, REOL, CEOL, DEOL+, DEOL-) gebruikt.
Werkingsprincipe van elektronische balans
Elektronische ballasten hebben stroom nodig op 50 – 60 Hz. Ze transformeren eerst de wisselspanning naar gelijkspanning. Daarna wordt de gelijkspanning gefilterd met behulp van een condensatorregeling. De gefilterde gelijkspanning wordt nu doorgestuurd naar het hoogfrequente oscillatie-stadium, waar de oscillatie normaal gesproken een blokgolf is en de frequentiebereik 20 kHz tot 80 kHz bedraagt.
Als gevolg hiervan is de frequentie van de uitvoerstroom extreem hoog. Om een hoge waarde te creëren, wordt een kleine hoeveelheid inductie gekoppeld aan een verhoogde snelheid van stroomverandering bij hoge frequentie.
Meer dan 400 V is vaak nodig om het gasontladingsproces in fluorescentielampen te initiëren. Wanneer de schakelaar wordt ingeschakeld, bereikt de initiële spanning over de gloeilamp 1000 V vanwege de hoge waarde, en treedt er direct gasontlading op.
Wanneer het ontladingsproces begint, wordt de spanning over de gloeilamp verlaagd van 230V naar 125V, en de elektronische balans stelt een beperkte stroom toe om door het licht te stromen.
De controle-eenheid van de elektronische balans regelt de spanning en stroom. Wanneer fluorescentielampen worden aangezet, functioneert de elektronische balans als een dimmer, die stroom en spanning beperkt.
Prestaties van elektronische balans
Verschillende metrieken worden gebruikt om de effectiviteit van elektronische ballasten te evalueren.
De Ballast Factor is het belangrijkst. Het is het verhouding van het lichtoutput van de lamp wanneer aangedreven door de ballast onder inspectie ten opzichte van het lichtoutput van de lamp wanneer aangedreven door de referentieballast.
Voor elektronische ballasten wordt deze waarde gerapporteerd tussen 0,73 en 1,50 te liggen.
Een enkele ballast kan een grote verscheidenheid aan lichtoutputniveaus bieden, wat de relevantie van zo'n breed bereik is.
Dit heeft veel toepassingen in dimmerschakelingen. Echter, het is aangetoond dat zowel extreem hoge als extreem lage ballastfactoren de levensduur van de lamp verlagen vanwege lumenafname veroorzaakt door hoge en lage lampstromen, respectievelijk.
Ballast Efficacy Factor, die het verhouding is van de ballastfactor (in %) tot het vermogen, geeft een relatieve meting van de systeemefficiëntie van de hele lamp-balanscombinatie, wordt vaak gebruikt bij het vergelijken van elektronische ballasten van hetzelfde model en fabrikant.
Ballast operation efficacy wordt gemeten met behulp van de Power Factor (PF)-metriek. De vermogen om de voedingsspanning en stroom om te zetten in bruikbaar vermogen en dit te leveren aan het licht, wordt gemeten door de power factor, waarbij 1 de optimale waarde is. Ten contraste, lage power factor ballasten zouden bijna tweemaal zoveel stroom nodig hebben als hogere power factor ballasten, en dus minder lampen kunnen ondersteunen in een schakeling. Dit duidt echter niet op de capaciteit van de ballast om licht te leveren.
Elk elektrisch apparaat heeft een limiet tot hoe lineair het kan zijn, en wanneer het ingangssignaal die limiet overschrijdt, wordt het signaal vervormd, wat resulteert in niet-lineaire en harmonische vervormingen. Harmonische vervorming, die wordt beoordeeld als totale harmonische vervorming, wordt gezegd te zijn opgetreden wanneer de signaalvorm afwijkt van de typische sinusvorm.
De harmonische stroom die elektronische ballasten toevoegen aan het energiedistributiesysteem, uitgedrukt als percentage, staat bekend als THD. Hoewel de ANSI-normen een maximale vervorming toestaan tot 32%, streven de meeste fabrikanten ernaar om de THD onder de 20% te houden. Het is eenvoudiger om vervormingen op dit niveau te handhaven met elektronische ballasten dan met magnetische of hybride ballasten.
Voordelen van elektronische balans
De betrouwbaarheid van de ballast neemt met de tijd af; hoe langer hij in gebruik is, des te kleiner de kans op fouten. Bij gebruik met elektronische ballasten neemt de lichtsterkte van de lampen geleidelijker af dan bij magnetische ballasten.
Deze apparaten zijn niet alleen aanzienlijk lichter en efficiënter, maar ook veel stiller.
Het vermogensverlies bij elektronische ballasten is ongeveer de helft van dat bij magnetische (of) hybride ballasten.
Bovendien kunnen ze, vanwege de hoge spanningseisen, gemakkelijk lampen laten werken die niet rechtstreeks door een demper op de lijn kunnen worden aangedreven.
In lamp-ballastsystemen kan de energie-efficiëntie voornamelijk op drie manieren worden verbeterd: door het verminderen van ballastverliezen, werken op hogere frequenties, en het verminderen van lamp-elektrodeloses. Elektronische ballasten zijn energie-efficiënter omdat ze al deze kenmerken tegelijkertijd bevatten.
Nadelen van elektronische balans
Elektronische ballasten genereren sterke harmonische stroom door pieken in de wisselstroom rond de spanningstoppen. Dit kan zwerfmagnetische velden, pijpleidingcorrosie, radio- en TV-interferentie, en IT-apparatuurfouten veroorzaken, naast problemen in het verlichtingssysteem.
Een hoge harmonische inhoud kan driefase-transformatoren en neutrale draden overbelasten. Het menselijk oog kan een hogere flikkerrate niet waarnemen, maar infrarood afstandsbedieningen voor consumentenelektronica zoals televisies kunnen wel gestoord worden.
Slimme ballastdocumentatie en -ontwerp reduceert interferentie in toepassingsfrequentiebereiken.
Er zijn echter bepaalde onontdekte hoekjes in het frequentiespectrum die niet in enige toepassing worden gebruikt, en de meeste ballaststoornissen in dit gebied worden genegeerd, waardoor er een schoner beeld op papier ontstaat dan in de praktijk.
Elektronische ballasten kunnen stroompieken en overbelasting niet aan.
Elektronische ballasten hebben ook een hoge initiële kosten, wat impulsieve kopers kan afschrikken, maar ze kosten uiteindelijk meer dan traditionele ballasten.
Toepassing van elektronische balans
1). Houd de uitvoervermogen constant
Houd de constante uitvoervermogen van de lampen. De techniek van blokgolfstroomaandrijving zorgt ervoor dat er geen "acoustische resonantie" verschijnselen optreden.
