Elektroniczny ballast: zasada działania i schemat obwodu

Co to jest elektroniczny balast?

Elektroniczny balast, znany również jako balast elektryczny, to komponent sprzętu, który kontroluje napięcie i prądy startowe oświetlenia.

Osiąga się to poprzez wykorzystanie techniki elektrycznej rozładowania gazu. Aby uruchomić metodę rozładowania gazu w lampach fluorescencyjnych, elektroniczny balast przekształca częstotliwość zasilania na bardzo wysoką częstotliwość, zarządzając napięciem na żarówce i prądem przez lampę.

Schemat blokowy elektronicznego balastu

Poniżej przedstawiono podstawowy schemat blokowy elektronicznego balastu.

Schemat blokowy elektronicznego balastu składa się z pięciu bloków, jak pokazano na powyższym obrazie. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie elektroniczne balasty przestrzegają tego schematu blokowego.

1). Filtr EMI

Filtr zakłóceń elektromagnetycznych reprezentowany jest przez blok 1. Filtry EMI są wykonane z cewek i kondensatorów, które blokują lub minimalizują zakłócenia elektromagnetyczne.

2). W prostownik

Obwód wprostnikowy reprezentowany jest przez blok 2. Obwód wprostnikowy przekształca prąd przemienny w prąd stały.

3). Filtr DC

Obwód filtru DC reprezentowany jest przez blok 3. Kondensator jest komponentem obwodu filtru DC odpowiedzialnym za filtrowanie nieczystego prądu stałego generowanego przez obwód wprostniczy.

4). Odwracacz

Obwód odwracacza reprezentowany jest przez blok 4. Prąd stały jest przekształcany w prąd przemienny o wysokiej częstotliwości w tym bloku, a transformator wzmacniający podnosi poziom mocy.

5). Obwód sterujący

Obwód sterujący, reprezentowany przez blok 5, odbiera informacje zwrotne z wyjścia i reguluje obwody wprostnicze, filtrujące i odwracające. Większość elektronicznych balastów nie posiada tego bloku.

Schemat obwodowy elektronicznego balastu

Czip sterujący balastem IRS2526DS „Mini8” jest punktem centralnym projektu obwodu elektronicznego balastu o mocy 26 W, który nie używa PFC. Oświetlenie oraz etap wyjściowy rezonansowy półmosta są całkowicie kontrolowane przez obwód. Częstotliwość pinów 'HO' i 'LO', będących wyjściami sterownika bramki półmostowej, jest dostosowywana przez pin 'VCO'. Programowanie wymaganych poziomów napięcia VCO wymaga umieszczenia dzielnika napięcia opornikowego przy pinie 'VCO'. Częstotliwość wewnętrznego oscylatora sterowanego napięciem jest określana przez wartości tych poziomów napięcia. Sygnał z wewnętrznego oscylatora jest następnie kierowany do logiki obwodów sterujących bramkami górnej i dolnej części. Umożliwia to generowanie niezbędnych częstotliwości pregrzewania, zapłonu i pracy dla etapu wyjściowego półmosta i rezonansowego. W celu zapewnienia stabilnego napięcia zapłonu lampy i identyfikacji usterki końca życia lampy, stosuje się dzielnik napięcia lampy (REOL1, REOL2, REOL3, RIGN1) oraz obwód zwrotny (CIGN1, DR1, DR2, DIGN, REOL, CEOL, DEOL+, DEOL-).

Zasada działania elektronicznego balastu

Elektroniczne balasty potrzebują mocy przy 50 – 60 Hz. Na początku przekształcają napięcie prądu przemiennego w napięcie prądu stałego. Następnie napięcie DC jest filtrowane za pomocą układu kondensatorów. Zefiltrowane napięcie DC jest teraz wprowadzane do etapu oscylacji wysokiej częstotliwości, gdzie oscylacja jest zwykle fale kwadratowe, a zakres częstotliwości wynosi 20 kHz do 80 kHz.

W wyniku tego częstotliwość prądu wyjściowego jest niezwykle wysoka. Aby uzyskać wysoką wartość, dodawana jest mała ilość indukcyjności, która jest sprzężona z podwyższonym tempem zmiany prądu przy wysokiej częstotliwości.

Często potrzeba ponad 400 V, aby rozpocząć proces rozładowania gazu w lampach rurkowych fluorescencyjnych. Gdy przełącznik jest włączony, początkowe napięcie na żarówce osiąga 1000 V ze względu na wysoką wartość, a rozładowanie gazu następuje natychmiast.

Gdy proces rozładowania rozpoczyna się, napięcie na żarówce spada z 230V do 125V, a elektroniczny balast umożliwia przepływ ograniczonego prądu przez światło.

Jednostka sterująca elektronicznego balastu kontroluje napięcie i prąd. Gdy lampy fluorescencyjne są włączone, elektroniczny balast działa jako dimmer, ograniczając prąd i napięcie.

Wydajność elektronicznego balastu

Do oceny skuteczności elektronicznych balastów używane są różne wskaźniki.

Najważniejszym wskaźnikiem jest czynnik balastu. Jest to stosunek wydajności świetlnej lampy, gdy jest napędzana przez badany balast, do wydajności świetlnej lampy, gdy jest napędzana przez balast referencyjny.

Dla elektronicznych balastów ta wartość wynosi od 0,73 do 1,50.

Jeden balast może zapewnić szeroki zakres poziomów wydajności świetlnej, co jest istotą tak szerokiego zakresu.

Ma wiele zastosowań w obwodach dymieniowych. Jednak okazało się, że zarówno zbyt wysoki, jak i zbyt niski czynnik balastu skraca żywotność lampy ze względu na degradację lumenów spowodowaną odpowiednio wysokimi i niskimi prądami lampy.

Czynnik efektywności balastu, który jest stosunkiem czynnika balastu (w %) do mocy, dostarcza względną miarę efektywności systemu całego zestawu lampy i balastu, jest często używany podczas porównywania elektronicznych balastów tego samego modelu i producenta.

Efektywność działania balastu mierzona jest za pomocą wskaźnika współczynnika mocy (PF). Możliwość konwersji napięcia i prądu zasilania na użyteczną moc i jej dostarczenie do światła mierzona jest przez współczynnik mocy, gdzie 1 jest optymalną wartością. W przeciwieństwie do tego, balasty o niskim współczynniku mocy potrzebują prawie dwukrotnie większego prądu niż balasty o wyższym współczynniku mocy, co oznacza, że obsługują mniej lamp w obwodzie. To jednak nie oznacza możliwości dostarczania światła przez balast.

Każde urządzenie elektryczne ma ograniczoną liniowość, a gdy sygnał wejściowy przekracza to ograniczenie, sygnał jest zniekształcony, co prowadzi do nieliniowych i harmonicznych zniekształceń. Zniekształcenie harmoniczne, oceniane jako całkowite zniekształcenie harmoniczne, występuje, gdy kształt fali sygnału odchodzi od typowego kształtu sinusoidalnego.

Harmoniczny prąd dodatkowy generowany przez elektroniczne balasty do systemu dystrybucji energii, wyrażony w procentach, nazywany jest THD. Choć standardy ANSI dopuszczają maksymalne zniekształcenie do 32%, większość producentów stara się utrzymać THD poniżej 20%. Utrzymywanie zniekształceń na tym poziomie jest łatwiejsze przy użyciu elektronicznych balastów niż magnetycznych lub hybrydowych.

Zalety elektronicznego balastu

• Zawodność balastu maleje z czasem; im dłużej jest używany, tym mniejsza jest prawdopodobieństwo awarii. W porównaniu do magnetycznych balastów, moc światła spada wolniej, gdy używane są elektroniczne balasty.

• Te urządzenia są nie tylko znacznie lżejsze i bardziej efektywne, ale także dużo ciszej działają.

• W porównaniu do magnetycznych (lub) hybrydowych balastów, straty mocy w elektronicznych balastach są około dwa razy mniejsze.

• Dodatkowo, dzięki wysokim wymaganiom napięcia żarówki, mogą łatwo obsługiwać światła, które nie mogą być bezpośrednio napędzane przez dławik w linii.

• Efektywność energetyczna w systemach lamp-balast można zwiększyć głównie w trzech sposób: redukując straty w balastach, działając na wyższych częstotliwościach i zmniejszając straty na elektrodach lamp. Elektroniczne balasty są bardziej efektywne energetycznie, ponieważ zawierają wszystkie te cechy jednocześnie.

Wady elektronicznego balastu

• Elektroniczne balasty generują silny harmoniczny prąd z szczytami prądu przemiennego wokół maksymalnych napięć. Może to powodować przypadkowe pola magnetyczne, korozję rur, zakłócanie radiowe i telewizyjne, awarie sprzętu IT, a także problemy z systemem oświetleniowym.

• Wysoka zawartość harmoniczna może przeciążyć trójfazowe transformatory i przewody neutralne. Oko ludzkie może nie zauważyć wyższej częstotliwości migotania, ale podczerwone pilotażowe sterowniki do sprzętu domowego, takiego jak telewizory, mogą być zakłócone.

• Inteligentna dokumentacja i projektowanie balastów redukuje zakłócenia w zakresach częstotliwości zastosowania.

• Jednak istnieją pewne nieodkryte zakątki spektrum częstotliwości, które nie są używane w żadnym zastosowaniu, a większość zakłóceń balastów w tym zakresie jest ignorowana, tworząc czystszy obraz na papierze niż w rzeczywistości.

• Elektroniczne balasty nie radzą sobie z nagłymi przepięciami i przeciążeniami.

• Elektroniczne balasty mają również wysoki początkowy koszt, co może odstraszyć impulsywnych kupujących, ale w dłuższej perspektywie są bardziej ekonomiczne.

Zastosowanie elektr