تبلیغات
وبلاگ علمی آموزشی شرکت پارس شعاع توس (لامپ کم مصرف CFL) - نحوه کار بالاست الکترونیکی (مقاله 1)

در این وبلاگ مطالب آموزشی مربوط به لامپ های CFL یا همان لامپ های کم مصرف قرار داده شده است. این وبلاگ یک وبلاگ صرفا آموزشی می باشد که قصد دارد اطلاعات کاربران را در مورد لامپ های کم مصرف افزایش دهد. در این وبلاگ مطالبی از قبیل انواع لامپ های کم مصرف، اجزاء مختلف لامپ های کم مصرف، نحوه کار قسمت های مختلف لامپ های کم مصرف، نحوه ساخت و استاندار های مربوط به این لامپ قرار داده شده است.

سعید آریانپور

جستجو

 

اسلایدر


بررسی عملکرد بالاست های Self-Resonance


شرکت پارس شعاع توس
قسمت R&D
ترجمه: وهاب محمدی

1- مقدمه

مقاله پیش رو به تشریح عملکرد بالاست های خود تشدید یا Self-Resonance پرداخته است. در این مقاله نحوه عملکرد یک مدار خود تشدید Instant Start 18 w به طور کامل تشریح شده است.

مدار پیش رو بر اساس توپولوژی Half Bridge طراحی شده و قابلت راه اندازی یک لامپ CFL 18W را دارا می باشد. ترانزیستورهای به کار رفته در این مدار از نوع 13003 می باشند که توانایی راه اندازی و تحمل تلفات توان برای لامپ 18w را دارا می باشند.

ترانزیستور های قدرت توسط یک ترانسفورماتور کنترل می شوند. به طوریکه مد کاری اشباع در این ترانسفورماتور، مدار راه انداز و مدار کنترل را تغذیه می کند.

از ویژگی های این مدار می توان مقرون به صرفه بودن و استفاده از تعداد المان های کم اشاره کرد.

ولتاژ و فرکانس ورودی بالاست مورد نظر 230v    50-60 Hz می باشد.

 

2- سر فصل ها

Chapter 1 : مقدمه

Chapter 2 : سر فصل ها

Chapter 3 : ساختارهای بالاست

Chapter 4 : پیش گفتار

Chapter 5 : نقشه مدار

Chapter 6 : بلوک دیاگرام

Chapter 7 : فاز اولیه

Chapter 8 : فاز احتراق

Chapter 9 : فاز آتش

Chapter 10 : فرکانس مدار

 

3- ساختارهای بالاست

بالاست ها دارای سه ساختار هستند:

1-      ساختار الکترومغناطیس

این ساختارها به ساختار های هسته و سیم پیچ مشهورند. در این ساختارها از یک خازن هم برای اصلاح ضریب قدرت استفاده می شود.

2-      ساختارهای هیبرید

این ساختارها هم مانند ساختارهای الکترومغناطیس هستند با این تفاوت که از یک ساختار مداری برای قطع کردن گرم کننده بعد از لحظه احترق استفاده می شود.

3-      ساختار الکترونیکی

این ساختار مشابه دو ساختار قبل می باشد با این تفاوت که فرکانس کاری این مدار بالای 20K Hz است در حالی که فرکانس کاری دو مدار قبل چیزی حدود 60 Hz می باشد.

لذا این ساختار از ویژگی های بهتری نسبت به دو ساختار قبل برخورد دار است. افزایش فرکانس باعث بیشتر شدن بازده، کم تر شدن حجم و شفاف تر شدن نور لامپ خواهد شد.

در این مقاله به بررسی عملکرد ساختارهای الکترونیکی خواهیم پرداخت.

 


4- پیش گفتار

لامپ های روشنایی معمولی دارای تلفات زیادی می باشند. این لامپ ها 90% توان ورودی را به گرما  فقط 10% باقی مانده را به نور تبدیل می کنند.

عملکرد این نوع لامپ ها ساده است. با عبور جریان الکتریکی از لامپ، تنگستن آنها داغ شده و شروع به درخشش می کند. مقدار نور تولید شده به جریان و ولتاژ دو سر لامپ بستگی دارد. علاوه بر این، تنگستن موجود در این لامپ ها باعث محدودیت جریان لامپ می شوند.

لامپ های فلورسنت دارای توان مصرفی کمتر به ازای تولید نور بیشتر هستنذد. عملکرد این لامپ ها بر اساس قوس الکتریکی ای که بین دو الکترود شکل می گیرد، می باشد که به جای فیلامنت سیمی استفاده شده است. همچنین این لامپ ها دارای بازدهی نوری سه برابر بیشتر از لامپ های معمولی در یک وات می باشند.

قوس بوجود آمده بوسیله مخلوطی از بخار جیوه و گاز های تصفیه شده از قبیل نئون، کریپتون و آرگون هدایت می شود که به وسیله فسفر داخل لامپ به نور روشنایی تبدیل می شود.

دقت شود که قوس بوجود آمده در گاز جیوه باعث پدید آمدن اشعه فرابنفش شده که توسط فسفر لایه های داخلی لامپ به نور تبدیل می شود.

بر خلاف لامپ های معمولی، لامپ های فلورسنت را نمی توان به طور مستقیم به منبع تغذیه وصل کرد. اگر چه جریان لامپ تا حدودی تثبیت می شود ولی جریان به طور مداوم به داخل لامپ سرازیر می شود و باعث ترکیدن لامپ خواهد شد. این عامل را می توان به مقاومت منفی لامپ هم مرتبط دانست.

می توان گفت که تخلیه الکتریکی لامپ باعث بوجود آمدن اضافه جریان خواهد شد.

همچنین مقاومت منفی در این لامپ ها باعث می شود که بتوانیم از یک سیستم حلقه باز برای کنترل آنها استفاده کنیم.

وجود تنگستن در لامپ های معمولی باعث محدود شدن جریان خواهد شد زیرا مقاومت آن با افزایش دما افزایش خواهد یافت ولی در لامپ های فلورسنت این قابلیت وجود ندارد. لذا برای راه اندازی لامپ های فلورسنت احتیاج به یک دستگاه اضافی به نام "بالاست" برای محدود کردن جریان می باشد.

در واقع "بالاست" می تواند یک ترانسفورمر یا یک چک برای محدود کردن جریان باشد ولی فرکانس کاری پایین باعث خواهد شد که حجم ترانس یا چک به شدت افزایش یابد که این امر مورد قبول نمی باشد. لذا با افزایش فرکانس توسط یک مبدل، حجم ترانس یا چک مورد نظر برای محدود کردن جریان، کاهش پیدا می کند.

افزایش فرکانس مزیت هایی دارد:

1-      کاهش حجم ترانس یا سلف

2-      افزایش طول عمر لامپ

3-      بازده بالاتر

4-      کاهش نویز شنیداری

5-      سوسو زدن پایین

6-      حجم پایین دستگاه

7-      شفافیت بیشتر نور

"بالاست" ها به طور کلی دو کار مهم برای روشنایی لامپ های فلورسنت انجام می دهند:

1-      فراهم کردن قوس مناسب بین دو الکترود لامپ

2-      تثبیت کردن جریان عبوری از لامپ جهت روشنایی

همچنین اکثر "بالاست" ها علاوه بر دو کار فوق، مقدار انرژی لازم برای گرم کردن الکترود ها را هم فراهم می کنند.

همچنین باید گفت که  نوع مدار "بالاست" های خود تشدید به نحوی است که برای یک "بار ثابت" طراحی شده اند. یعنی این مدارات را نمی توان برای بارهای متغیر مورد استفاده قرار داد زیرا فرکانس مدار ثابت است و زمان قطع و وصل ترانزیستور های مدار هم ثابت هستند و هیچ کنترلی بر روی تغییرات بار خروجی نخواهیم داشت، در واقع فیدبک منفی ای در مدار وجود ندارد تا تغییرات بار را اعلام کند و مدار بر اساس آن تغییرات لازم را در فرکانس یا Duty cycle اعمال کند.

برای طراحی این "بالاست" ها باید به این نکته توجه داشت که تقریب هایی در آن ها به کار می رود فقط مخصوص ضریب کیفیت بالا و بارهای خطی و فرکانس کاری نزدیک به فرکانس رزونانس می باشد.

دقت شود که برای لامپ های فلورسنت، ضریب کیفیت غیر خطی است و با طول عمر لامپ و در جه حرارت تغییر خواهد کرد. بنابراین ضریب کیفیت به راحتی تغییر خواهد کرد و بسته به شرایط اطراف متغییر خواهد بود.

بنابراین برای حفظ کردن قابلیت حلقه باز، اغلب لامپ های فلورسنت برای ضریب کیفیت پایین طراحی می شوند ولی به هر حال اینورتر های خود روزنانس می توانند خود را با این کاربرد وفق دهند.

شکل یک مبدل نیم پل برای "بالاست" به صورت زیر است:

برای رسیدن به عملکرد ZVS (Zero Voltage switching)، شبکه رزونانس سری-موازی شکل فوق که شامل L، Cig، Rl (مقاومت لامپ) و Cs می باشد باید به صورت القایی عمل کند. همچنین باید فرکانس کاری مبدل نیم پل بالاتر از فرکانس رزونانس باشد.

به دلیل رعایت قاعده ZVS، تلفات ترانزیستورهای سوئیچینگ به حداقل مقدار خود خواهد رسید.

روابط فرکانس رزونانس مدار به صورت شکل صفحه بعد می باشد.

که در آن Qp ضریب کیفیت مدار رزونانس موازی می باشد. در این حالت، در قسمت مدار رزونانس سری- موازی، مقدار خازنهای Cs به اندازه ای بزرگ هستند که بتوان آنها را برای قسمت مدار رزونانس موازی در نظر نگرفت.

مقدار ضریب کیفیت موازی و فرکانس سوئیچینگ، مقدار بهره مدار رزونانس موازی را مشخص می کند. این ضریب برای مدار رزونانس موازی چیزی حدود 1.3 می باشد که با توجه به رابطه های بالا و متغیر بودن مقدار Rl و تغییرات دما، نمی توان مقدار دقیقی را برای Qp در نظر گرفت.

با توجه به گفته های بالا مقدار Qp اصولا کمتر از یک می باشد و در این حالت می توان از مدار رزونانس موازی در مدار صرف نظر کرد که در این حالت، ضریب کیفیت سری و مدار رزونانس سری را می توان اصول عملکرد مدار در مد پیوسته دانست.

البته در فاز احتراق، شبکه رزونانس موازی با عث روشن شدن لامپ خواهد شد ولی بعد از آن شبکه رزونانس سری عملکرد مدار را بدست خواهد گرفت.

به زبان بهتر وقتی خازن شبکه رزونانس موازی (Cig) کار خود را انجام داد و از مدار خارج شد، شبکه رزونانس سری وارد عمل خواهد شد.

به همین خاطر مقدار ولتاژ لامپ در حالت پایدار مدار، کمتر از مقدار ولتاژ استارت اولیه می باشد.

رابطه ضریب کیفیت سری Qs به صورت زیر می باشد:

برای بدست آوردن Crest Factor مناسب باید مقدار Cs را کمی بالا ببریم که این امر باعث خواهد شد که ضریب کیفیت سری مدار پایین بیاید.

در واقع با این کار ضریب کیفیت سری مدار، کمتر از واحد خواهد شد.

در مورد Crest Factor یا همان CF در بخش های بعد توضیح بیشتری خواهیم داد.


5- نقشه مدار

6- بلوک دیاگرام مدار

شاید بتوان قسمت اعظم کار کرد این مدار را به ترانسفورمر این مدار ربط داد. سوئیچ زنی ترانزیستورها و عملکرد این المان در مد اشباع باعث راه اندازی و کار کرد مدار خواهد شد.

اشباع این المان باعث کنترل المان های سوئیچینگ شده که این امر باعث کنترل جریان خروجی مدار که همان جریان لامپ است می شود.

رفتار اشباع ترانقسفورمر و المان های سوئیچینگ برای راه اندازی، تفاوت های بین مدارهای خود رزونانس از مدار های راه انداز خارجی را به طور واضح مشخص می کند.

درفاز اولیه، الکترود های لامپ شروع به گرم شدن می کنند که این الکترود ها شروع به ساطع کردن یون می کنند که این یون ها یونیزه شدن لامپ را در زمان شکل گیری قوس اولیه بین دو الکترود را آسان می کنند.

بعد از ایجاد قوس، مقاومت لامپ از چیزی حدود 1  M ohm به چیزی حدود چند صد اهم خواهد رسید.

مشخصه V-I استارت لامپ برای بالاست های الکترومغناطیس به صورت شکل زیر خواهد بود.

بعد از شکل گیری قوس الکتریکی، گاز داخل لامپ شروع به ساطع کردن امواج فرابنفش می کند که بوسیله فسفر داخل لامپ به شکل نور شروع به ساطع شدن می کند.

لامپ های فلورسنت برای احتراق اولیه احتیاج به ولتاژی بالغ بر 600 V دارند ولی بعد از شکل گیری قوس، ولتاژ دو سر لامپ به 100 V افت پیدا خواهد کرد.

برای جلوگیری از اثر کاتافوزوریس، شکل موج سینوسی رابه وسیله یک القاگر برای لامپ فراهم می کنند. همچنین یک خازن برای حذف هرگونه مولفه DC تعبیه شده است.

همانطور که از شکل بالا مشخص است، ولتاژ لامپ بعد از استارت اولیه هیچ وقت برابر ولتاژ لحظه استارت نخواهد ماند و ولتاژ پایدار مدار به مراتب کمتر از لحظه اول خواهد بود.

بنابراین بالاست دو کار مهم دیگر هم انجام می دهد:

1-      فراهم کردن ولتاژ اولیه جهت استارت لامپ

2-      فراهم کردن راکتانس سلفی برای کاهش ولتاژ دو سر لامپ.

بنابراین مقدار سلف خروجی باید طوری تعبیه شود که حتی در بالاترین درجه حرارت هم به اشباع نرود زیرا با به اشباع رفتن آن، ولتاژ دو سر آن صفر شده و به صورت اتصال کوتاه در خواهد آمد که باعث می شود تمام ولتاژ دو سر لامپ بیافتد و لامپ منفجر شود.

البته قبل از سوختن لامپ، المان های سوئیچ که توان قابل تحمل کمتری دارند، می سوزند و احتمال ترکیدن لامپ کمتر است.

دقت شود که اکثر توضیحات فوق برای زمان فاز اولیه و احتراق و برای بالاست های الکترومغناطیس است که فرکانس کاری آنها همان فرکانس ورودی است.

کار کردن در فرکانس پایین (50-60 Hz) ، باعث بوجود آمدن دیونیزاسیون شده و باعث می شود که اثر غیر دیداری سوسو زدن در لامپ بوجود بیاید.

در واقع در فرکانس های بالاتر از 20K Hz دیگر زمانی برای دیونیزاسیون پیش نمی آید و مشخصه V-I لامپ به صورت زیر در خواهد آمد.

همچنین فرکانس کاری بالاتر باعث بوجود آمدن مزیت دیگر زیر هم خواهد شد:

وجود نداشتن دیونیزاسیون باعث مصرف توان کمتر و طولانی تر شدن طول عمر لامپ خواهد شد.

دقت شود می توان بلوک دیاگرام های مختلفی برای مدار درنظر گرفت.

یک بلوک دیاگرام برای توصیف مدار "بالاست" به صورت زیر می باشد.

در واقع خازن Cb ولتاژ زیادی را (از طریق مسیر سلف L و خازن Ca و خازن Cb) در لحظه اول بر روی فیلامنت های لامپ می اندارد که باعث احتراق گاز داخل تیوپ شده و مسیر جریان از داخل لامپ بسته خواهد شد.

بعد از روشن شدن لامپ، خازن Cb ازطریق خود لامپ اتصال کوتاه خواهد شد و عملا از مدار خارج می شود. در این حالت فرکانس طبیعی مدار به وسیله سلف L و خازن Ca تامین خواهد شد.

توجه شود که فرکانس کاری مدار بالاتر از این مقدار خواهد بود و به وسیله خود مبدل تعیین می شود.

یک بلوک دیاگرام دیگر برای این مدار به صورت زیر است.

همانطور که دیده می شود این مدار در حالت کلی از سه بخش تشکیل شده است. بخش اول وظیفه یکسو سازی ولتاژ ورودی را بر عهده دارد که اصولا از یک پل دیودی برای این بخش استفاده می شود.

پل دیودی در این مدار شامل دیودهای D1، D2، D3 و D4 در مدار اصلی می باشد.

خازن قرار گرفته در بعد از این قسمت خازن صافی می باشد. خازن C2 در این مدار نقش خازن صافی را بازی می کند. لازم به ذکر است که این خازن در عملکرد PFC و CF نقش دارد.

CF مخفف Crest Factor می باشد. CF نسبت پیک جریان ورودی به مقدار موثر آن می باشد. زیاد بودن این پارامتر به معنای عمر کم لامپ می باشد.

با زیاد کردن مقدار خازن C2 می توان به CF های کم دست یافت زیرا زیاد شدن خازن صافی باعث زیاد شدن مقدار موثر جریان می شود. در نتیجه میزان CF کم خواهد شد ولی زیاد کردن بیش از حد C2 باعث کم شدن مقدار PF (Power Factor) می شود که باعث می شود فشار زیادی به شبکه انتقال وارد شود. دلیل این امر زیاد شدن پیک جریان دیود های یکسوساز ورودی است که باعث غیر هم فاز شدن بیشتر ولتاژ با جریان می شود. همچنین افزایش مقدار C2 باعث افزایش مقدار پیک جریان دیود ها شده که در این صورت مجبور خواهیم شد از دیود هایی با جریان معکوس بالاتر استفاده کنیم.

پس برای افزایش مقدار خازن C2 با محدودیت هایی روبرو هستیم. برای بر طرف کردن این مشکل از یک مدار بوست در ورودی و قبل از مدار بالاست استفاده می شود.

استفاده از مبدل بوست جهت تثبیت ولتاژ تغذیه بالاست در یک ولتاژ خاص استفاده می شود.

در واقع این مبدل باعث می شود که به ازای تغییر ولتاژ ورودی مدار، ولتاژ تغذیه بالاست ثابت بماند که این کار باعث خواهد شد تا بتوانیم از مدار بالاست برای توان های مختلف هم استفاده کنیم.

در واقع با افزودن یک مبدل بوست اولیه، امکان تغییر بار را برای بالاست فراهم می کنیم و اشکال ذاتی مدار بالاست را بر طرف خواهیم کرد.

همچنین این مبدل طوری طراحی شده است که باعث هم فاز شدن جریان با ولتاژ ورودی می شود که این امر رسیدن به PF های بالاتر از 0.95 را ممکن می سازد.

میزان استاندارد CF بین 1.4 تا 1.7  می باشد.

بخش بعدی فیلتر EMI ورودی می باشد که از ورود و خروج نویز های فرکانس بالا به داخل مدار جلوگیری می کند. وظیفه فیلتریگ را در مدار، المان های  L1 و C1 به عهده دارند.

آخرین بخش از مدار را یک طبقه مبدل نیم پل یا همان Half Bridge تشکیل می دهد. مبدل دستگاه را می توان از بین مبدل پوش پول و نیم پل انتخاب کرد که به دلیل به صرفه بودن از مبدل نیم پل استفاده می شود همچنین بستن مبدل پوش پول به دلیل نقایصی که دارد کمی سخت است. بنابراین مبدل Half Bridge انتخاب بهتری می باشد.

به عنوان یک مقدمه می توان گفت که اکثر موارد طراحی شده در این بالاست ها از نحوه طراحی اولیه مبدل نیم پل و اینورتر های روزونانسی بدست آمده است.

مبدل نیم پل شامل المان های Q1، Q2 و سلف L2 و خازن C5 می شود.

Q1 و Q2 ترانزیستور های سوئیچینگ مدار هستند که ولتاژ پالس مدار را تولید می کنند. L2 و C5 پاسخ پله مدار را آشکار می کنند که یک نوسان گر نا میرا را تشکیل می دهند.

پس در مجموع در خروجی یک موج سینوسی را خواهیم داشت.

ترانسفورمر علاوه بر کنترل ترانزیستورهای سوئیچینگ و کنترل جریان خروجی لامپ، قاعده ZVS راهم به خاطر به اشباع رفتن رعایت خواهد کرد.

قسمت کنترل در مدار اصلی شامل ترانسفورماتور، مقاومت بیس (RB1 و RB2) و امیتر (RE1 و RE2) ترانزیستور ها می باشد.

استفاده از ترانسفورمر (اولیه: TR – ثانویه: TR1 و TR2) اشباع شونده در مدار مزیت های زیر را خواهد داشت:

1-      با اشباع شدن ترانسفورمر، مدار کنترل که باعث روشن و خاموش شدن ترانزیستور ها می شود، سیگنال خودش را از دست خواهد داد. در این حالت جریان چک خروجی (L2) و فرکانس کاری مدار محدود خواهد شد.

2-      مزیت دوم ترانسفورمر سری (TR)، فیدبک جریان خواهد بود. جریان بیس به طور مستقیم جریان کلکتور را کنترل خواهد کرد که این امر باعث کنترل جریان بار خواهد شد. همچنین وجود فیدبک مثبت بین جریان کلکتور و جریان بیس باعث روشن و خاموش شدن منظم ترانزیستور ها خواهد شد.

3-      وجود ترانسفورمر باعث تسهیل در عملکرد Startup خواهد شد.

در کل می توان گفت که بعد از وصل مدار به برق، اولین پالس مدار در فاز اولیه تولید خواهد شد که باعث استارت اولیه لامپ در فاز احتراق خواهد شد. بعد از این دو مرحله، مدار در فاز آتش قرار خواهد گرفت به روال کار عادی خود خواهد رسید.

(ادامه مقاله 1 در قسمت " نحوه کار بالاست الکترونیکی (ادامه مقاله 1) " قرار دارد)


بازگشت به صفحه نخست