تبلیغات
وبلاگ علمی آموزشی شرکت پارس شعاع توس (لامپ کم مصرف CFL) - نحوه کار بالاست الکترونیکی (مقاله 2)

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

آنالیز حالت پایدار مدار بالاست خود رزونانس ZVS-CV دارای ترانس اشباع شونده

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

خلاصه:

در این مقاله بالاست خود رزونانس دارای "سوئیچینگ ولتاژ صفر و محدود کننده ولتاژ" (ZVS-CV) مورد بررسی قرار گرفته است. مراحل خود تشدید در این مدار به 6 قسمت بر اساس مشخصه B-H هسته تقسیم می شود. تحلیل هوشمندانه مرحله به مرحله نشان می دهد که ترانس اشباع شونده باعث محدود شدن جریان و پایداری فرکانس خواهد شد. رفتار اشباع در مدار راه انداز و ادوات سوئیچینگ در این مدار به طور واضح این اینورتر خود رزونانس را از مدار های راه انداز خارجی با ضریب کیفیت بالا تمیز می دهد. نتایج آنالیز این مدار از تحلیل های ریاضی و تجربیات آزمایشگاهی حاصل شده است.

1- مقدمه:

لامپ تخلیه الکتریکی عموما مقاومت منفی ای را در ناحیه کاری خود از خود نشان می دهد. بنابراین لامپ می تواند تقریبا تحت کنترل حلقه باز عمل نماید. اگر این لامپ ها به صورت مستقیم به منبع ولتاژ قدرت برای یونیزه شدن وصل شوند، تخلیه الکتریکی باعث اضافه جریان خواهد شد.

از این رو، این نوع لامپ ها احتیاج محدود کننده جریان به نام "بالاست" دارند. فیلامنت ها می توانند به صورت بالاست عمل کنند ولی بازده بالاست به شدت پایین خواهد آمد.

اصولا ترانس های نشتی یا چوک ها می توانند به صورت بالاست عمل کنند ولی سایز و وزن آنها قابل توجه خواهد شد و بازده آنها همچنان می تواند بهبود پیدا کند.

در سالهای اخیر، "بالاست های الکترونیکی" تحقیقات زیادی را به خاطر کار در فرکانس های بالا به خود اختصاص داده اند.

به طور مثال فرکانس بالا، نویز شنیداری کم، عمر زیاد، سوسو زدن کم و حجم کم می تواند دلایلی برای این تحقیقات باشد. در حال حاضر مبدل پوش پول و نیم پل دارای رزونانس سری-موازی برای بالاست ها به کار گرفته می شود.

با این وجود، به دلیل ملاحضات مالی و اطمینان بالا، بسیاری از بالاست های خودکار بر اساس مبدل نیم پل ساخته می شوند.

تحلیل پیش رو واقعا وقت گیر و هزینه بر بوده است.

در این مقاله بسیاری از مباحث بالاست های الکترونیکی بر اساس توپولوژی مدار های نیم پل و مشخصه های اینورتر های بار-تشدیدی هدف گذاری شده اند.

طراحی بالاست های الکترونیکی همواره مبتی بر مشخصه های لامپ های تخلیه ای بوده است، همانطور که فرکانس سوئیچینگ مدار هم بر همین مبنا انتخاب می شود. اخیرا تقریب های پایه ای برای تحلیل و طراحی مدارهای بالاست تشدیدی در نظر گرفته می شود. به این نکته باید توجه کرد که این تقریب ها بر اساس فاکتور کیفیت بالا (High quality factor)، خطی بود بار و نزدیک بودن فرکانس کاری مدار به فرکانس سوئیچینگ در نظر گرفته شده اند. برای لامپ های فلورسنت، تخلیه الکتریکی به صورت غیر خطی صورت می پذیرد و با طول عمر لامپ تغییر می کند و تحت تاثیر دمای لامپ می باشد.

بنابراین مقدار ضریب کیفیت بار (Q) ثابت نیست و ضریب کیفیت خروجی مدار می تواند به راحتی با تغییر شرایط، تغییر کند. برای حفظ کردن خاصیت کنترل حلقه باز، اغلب بالاست های لامپ های فلورسنت برای ضریب کیفیت های پایین طراحی می شوند و از این رو مدارهای خود تشدید می توانند خود را با این موضوع وقف دهند.

برای یک مدار اینورتر خود تشدید، فرکانس سوئیچینگ توسط خود مدار تعیین می شود. تمامی المان های مدار از جمله شبکه تشدید، لامپ تخلیه ای، مدار راه انداز و ادوات سوئیچینگ به فرکانس سوئیچینگ مدار مرتبط می باشند و از این رو تحلیل این مدار می تواند کاملا پیچیده باشد.

به خاطر داشتن ضریب کییت پایین مدار، تحلیل هوشمندانه مرحله به مرحله در حوزه زمانی برای تحلیل این مدار انتخاب شده است.

در این مقاله یک بالاست نیم پل با ضریب کیفیت پایین و هسته اشباع شونده مورد بررسی قرار گرفته است. به علت تغییر مقاومت معادل لامپ های فلورسنت در زمان شروع به کار، معادلات ریاضی در این مدار تحت شرایط پایدار مدار بدست آمد است. ولتاژ DC ورودی برای شبکه بار تشدیدی، همیشه بیشتر از ولتاژ کاری لامپ در زمان عملکرد دائمی آن است. براساس طراحی مدار، معمولا فرکانس کاری مدار در حدود چند ده کیلو هرتز می باشد و می تواند با کم کردن زمان ذخیر ترانزیستور BJT افزایش پیدا کند.

2- توضیحات مدار:

شکل "1 الف" طرح یک مبدل نیم پل را نشان می دهد. این مدار زیر بارهای القایی، عملکرد ZVS-CV را نشان می دهد. یعنی از مشکل بازیافت معکوس دیود های هرزگرد می توان اجتناب کرد و می توان تلفات زمان خاموشی ترانزیستور ها را با دو خازن گذار کاهش داد. در واقع وقتی ترانزیستور ها خاموش هستند دو خازن گذار با یکدیگر موازی می شوند. این خازن ها می توانند با یکدیگر ادغام شوند و حتی می توانند به صورت موازی به روی یک ترانزیستور قرار بگیرند.

به طور مشابه این دو خازن DC وقتی که یکی از ترانزستور ها هدایت می کند هم به صورت موازی قرار می گیرند. این خازن ها همچنین می توانند به صورت یک خازن ادغام شوند و به صورت خازن باس DC در مدار قرار گیرند.

شکل "1 ب" قسمت دیگر مدار را به صورت نقطه چین نشان می دهد.

برای رسیدن به عملکرد ZVS-CV، شبکه تشدید سری-موازی (Lr – Cig – Rlamp – Cs) باید به صورت القایی باشد. در شکل "1 ب"، ولتاژ حالت پایدار لامپ ممکن است کمتر یا بیشتر از ولتاژ اساسی دو سر شبکه رزونانس باشد.

اگر دومی (ولتاژ شبکه رزونانس) بیشتر از اولی (ولتاژ لامپ) باشد، آنگاه شاهد یک "تشدید موازی" در شبکه تشدید سری-موازی خواهیم بود. بالاست دارای بار موازی در قسمت 5 و 6 در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته اند.

برای عملکرد ZVS در مدار، باید فرکانس کاری مبدل نیم پل بیشتر از فرکانس تشدیدی باشد که مرز بین بارهای القایی و خازنی را تشکیل می دهد.

با تقریب های دقیق این مرز به صورت زیر است:

شکل "2 الف" پاسخ فرکانسی شبکه سری-موازی را وقتی که خازن سری Cs به اندازه کافی بزرگ باشد و بتوان از آن صرف نظر کرد را نشان می دهد. ضریب کیفیت بار موازی (Qp) و فرکانس سوئیچینگ انتخابی می تواند بهره ولتاژ شبکه تشدید موازی را تعیین کند.

برای بالاست های تشدید بار موازی، مقدار Qp عموما در حدود 1.3 می باشد. به هرحال این پارامتر یک مقدار ثابت نیست زیرا مقاومت لامپ (Rlamp) ممکن است با طول عمر و دما تغییر کند. همانطور که دیده شد مقدار Qp کوچکتر مساوی یک خواهد شد، در نتیجه "تشدید موازی" (مربوط به خازن Cig یا همان خازن احتراق) از بین خواهد رفت و شبکه تشدید سری-موازی به صورت یک بار القایی خالص عمل خواهد کرد. به بیان دیگر وقتی که تاثیر خازن احتراق (Cig) از بین رفت، ولتاژ حالت پایدار تیوب لامپ کمتر از ولتاژ دو سر شبکه تشدید سری-موازی خواهد شد.

بالاست مورد بررسی در این مقاله در ولتاژ های ما بین 150 تا 300 ولت عمل خواهد نمود. ولتاژ موثر دو سر شبکه تشدید سری-موازی (300/π یا 600/π ولت) بیشتر از ولتاژ عملکرد لامپ های فلورسنت (55-110 ولت) خواهد بود. به منظور بهبود بخشیدن به CCF (Curent Crest Factor) و کاهش اندازه خازن سری (Cs)، "تشدید-سری" به عنوان حالت رزونانسی اصلی شبکه تشدید سری-موازی کار خواهد کرد و ضریب کیفیت بار سری (Qsاصولا کمتر از مقدار یک خواهد بود.

شکل "2 ب" پاسخ فرکانسی شبکه تشدید سری-موازی را نشان می دهد که در آن اثر خازن احتراق (Cig) در جریان تشدید به اندازه کافی پایین است و می توان از آن صرف نظر نمود.

همانطور که دیده می شود در ضریب کیفیت پایین شبکه تشدید سری، مشخصه پهنای باند بزرگ بدست می آید و بهره ولتاژ مدار نسبت به تغییرات فرکانس، غیر حساس خواهد شد. بنابراین مبدل خود رزونانس مقرون به صرفه و می تواند برای کاربرد بالاست مناسب باشد.

در حال حاضر به خاطر ملاحظات هزینه، اغلب بالاست های خودکار بوسیله مبدل خود-رزونانس نیم-پل راه انداز- ولتاژی عمل می کنند.

 شکل 3 بالاست خودکار خود-تشدید نیم-پل مورد مطالعه در این مقاله را نشان می دهد.

این مدار را می توان بر اساس عملکرد تخصصی هر بخش، به 5 قسمت تقسیم کرد. برای 220 ولت متناوب ورودی، بخش 1 می تواند به صورت یک یکسوساز تمام موج که ولتاژ 300 ولت را برای ورودی تامین می کند، عمل کند. به هر صورت بخش 1 می تواند برای ولتاژ های 110 ولت متناوب به صورت یک یکسوساز تمام موج و یا یک یکسوساز نیم موج دو برابر کننده بسته به ولتاژ مورد نیاز لامپ عمل کند. اگر قسمت 1 شامل یک مبدل بوست برای تصحیح ضریب قدرت باشد، ولتاژ تغذیه DC بیشتر از 300 ولت خواهد شد.

بخش 2، یک مدار پر استفاده برای لحظه استارت مدار می باشد. این قسمت شامل یک دیاک (Dac)، یک دیود تخلیه (Dd) و یک مدار RC (Cst و Rst) می باشد.

بخش 3 شامل یک مدار نیم پل ZVS-CV همراه با ترانزیستور های سوئیچینگ BJT می باشد. مدار راه انداز این مبدل در بخش 4 نشان داده شده است.

سیگنال های فیدبک از شبکه رزونانس مدار گرفته شده اند. این قسمت شامل سه سیم پیچ       (Np : Ns1 : Ns2 = n : 1 : 1) و ترانش قابل اشباع Tr می باشد.

در آخر هم بخش 5 که شامل مدار تشدید سری-موازی بار-تشدیدی (Lr, Cs, Cig و لامپ فلورسنت) می باشد.

در لحظه استارت مدار، لامپ به صورت اتصال باز عمل خواهد کرد. جریان عبوری مدار تشدید-سری از خازن احتراق باعث گرم شدن فیلامنت های لامپ خواهد شد و ولتاژ ظاهر شده دو سر خازن احتراق باعث احتراق لامپ خواهد شد.

در فرایند استارت اولیه، مقاومت فیلامنت ها افزایش پیدا می کند ولی مقاومت لامپ کاهش پیدا خواهد کرد. معمولا مقاومت فیلامنت ها در شرایط کاری حدود چهار برابر مقاومت آنها در دمای معمولی می باشد و ولتاژ احتراق لامپ های فلورسنت با افزایش درجه حرارت کاهش پیدا می کند. باید به این نکته توجه کرد که انتشار ناموزون حرارت در فیلامنت ها معمولا عمر فیلامنت ها را کوتاه می کند. از این رو جریان لحظه احتراق را باید به نحوی محدود کرد.

در حالت پایدار مدار، جریان عبوری از خازن احتراق باعث کاهش هارمونیک ها جریان عبوری از لامپ خواهد شد و دمای فیلامنت ها را ثابت نگه خواهد داشت.

برای بالاست مورد بررسی، تاثیر خازن احتراق روی فرکانس مدار خود تشدید بسیار ناچیز و قابل چشم پوشی است.

اصولا بر اساس قانون لنز، عملکرد سوئیچینگ ترانسفورمر راه انداز مبدل خود رزونانس موقعی اتفاق خواهد افتاد که جریان تشدید از مقدار بیشینه خود پایین بیاید. از این رو، فرکانس سوئیچینگ مدار بالاتر از فرکانس طبیعی شبکه بار تشدیدی سری-موازی مدار خواهد بود و عملکرد ZVS-CV به صورت طبیعی به وجود خواهد آمد.

مهم نیست که ترانس راه انداز سری شده در مدار، اشباع رونده یا غیر اشباع رونده باشد بلکه مبدل خود رزونانس مدار فقط و فقط زمانی نوسان خواهد کرد معیار باراک هوزن برای نوسان کردن در مراحل "1" و "4 ب" (این مراحل در قسمت بعد توضیح داده خواهد شد) فراهم شود.

به دلیل اشباع شدن ترانس مدار راه انداز، وقتی که جریان رزونانس، ترانسفورمر را به اشباع می برد، مدار راه انداز سیگنال خود را از دست خواهد داد. بدین ترتیب هم جریان سلف و هم فرکانس مدار خود رزونانس به وسیله مقدار ولتاژ-زمان ترانسفورمر محدود خواهد شد.

یکی دیگر از مزیت های استفاده از مدار ترانسفورمر راه انداز، "فیدبک جریان" می باشد. جریان مدار راه انداز بیس (فیدبک) می تواند به طور طبیعی منجر به بوجود آمدن جریان کلکتور (جریان رزونانس) شود و این رابطه مستقیم باعث بوجود آمدن جریان بار خواهد شد.

این مهم نیست که تغییرات جریان کلکتور چقدر است بلکه مهم این است که معیار باراک هوزن به راحتی در مراحل "1" و "4 ب" فراهم خواهد شد. به طور مثال مشخصات جریان فیدبک، عملکرد مبدل خود رزونانس را آسان می کند.

اگر سیگنال های راه انداز از ترانسفومر غیر اشباع شونده در مسیر مدار رزونانس فراهم شود، مبدل خود رزونانس جریان فیدبک و عملکرد محدود کنندگی جریان را از دست خواهد داد. به خصوص در زمان استارت اولیه، پیوند بیس امیتر ترانزیستور به وسیله یک ولتاژ بالا که توسط ترانس غیر اشباع شونده تولید شده است از بین خواهد رفت.

بر اساس گفته های فوق، بالاست BJT نیم-پل خود-رزونانس مورد مطالعه، اصولا دارای ترانس سری شده اشباع شوند (ترانس جریان) به عنوان یک مدار راه انداز خواهد بود.

3- عملکرد مدار خود رزونانس

به منظور بررسی مشخصه مربعی هیسترزیس ترانس اشباع رونده، مدل کردن تکه ای خطی می تواند برای ترانس اشباع شونده (Tr) پذیرفته شود. شکل "4" حلقه B-H هسته اشباع شونده را نشان می دهد.

به خاطر تغییر نقطه کاری ترانسفورمر، تحلیل کامل عملکرد مدار به 6 قسمت تقسیم می شود. 6 نقطه مرزی (t1-t6) در شکل "4" در منحنی B-H هسته مشخص شده است. تحت بار سلفی، عملکرد این 6 قسمت به صورت زیر مشخص شده است.

مرحله 1: t0 < t < t1

(Tr غیر اشباع، Q2 در حال هدایت)

در لحظه t0، ترانس Tr منقطه اشباع خودش را پشت سر گذاشته است و Q2 را روشن می کند. تا موقعی که جریان رزونانس عکس شود (لحظه قطع محور B در نمودار)، جریان D2 شروع به گذشتن از Q2 می کند.

مرحله 2: t1 < t < t2

(Tr اشباع، Q2 در حال هدایت)

در لحظه t1، T1 وارد نقطه اشباع خود می شود. در این حالت هیچ انرزی ای به بیس Q2 انتقال پیدا نمی کند ولی بار های ذخیره شده در بیس Q2، این ترانزیستور را در حالت روش نگه می دارند. تا وقتی که در لحظه t2 بارهای موجو در بیس این ترانزیستور ناپدید می شوند و Q2 وارد ناحیه فعال خود می شود.

مرحله 3: t2 < t < t3

( Tr غیر اشباع، Q2 خاموش(

در این حالت نقطه کار ترانزیستور Q2 ازناحیه فعال خارج می شود. در هیمن حال که ترانزیستور Q2 به تدریج خاموش می شود، خازن Cz بوسیله جریان رزونانس تخلیه می شود و ولتاژ آن به سمت صفر میل می کند. در لحظه t3 ولتاژ Cz به صفر می رسد و D1 شروع به هدایت می کند.

مرحله 4: t3< t < t4

(Tr غیر اشباع، Q1 در حال هدایت)

در لحظه t3، Tr از ناحیه اشباع خارج می شود و ترانزیستور Q1 را به اشباع می برد. همانطور که جریان D1 به سمت صفر میل می کند، جریان رزونانس در ترانزیستور Q1 سرازیر می شود. در لحظه t4، ترانسفورمر Tr دوباره وارد ناحیه اشباع خود می شود.

مرحله 5: t4 < t < t5

( Tr اشباع، Q1 در حال هدایت(

بعد از t4 هیچ انرژی ای از طریق Tr به بیس ترانزیستور Q1 منتقل نمی شود و بار های ذخیره شده در بیس Q1 این ترانزیستور را در حالت هدایت نگه می دارد.

مرحله 6: t5 < t < t6

( Tr اشباع، Q1 خاموش)

در این مدت Q1 وارد ناحیه فعال خود می شود و رفته رفته خاموش می شود. در این مدت ولتاژ خازن Cz افزایش می یابد و در لحظه t6 ولتاژ Cz به ولتاژ باس DC مدار خواهد رسید و D2 شروع به هدایت می کند.

 

تصویر "5" شکل موج های متناظر این 6 مرحله را نشان می دهد. به دلیل هدایت جریان رزونانس و جاری شدن متناوب جریان در سوئیچ های مختلف در مراحل 1 و 4، هر دو مرحله می تواند به دو زیر مجموعه تقسیم شود و نقاط هدایتی به نقاط مرزی تبدیل می شوند.

برای برقراری معیار باراک هوزن به منظور نوسان کردن، ترانزیستور Q2 (Q1) باید در مرحله 1a (4a) به اشباع برود.

از شکل "5" فهمیده می شود که خازن Cz تلفات لحظه خاموشی ترانزیستور را کاهش می دهد. ولتاژ ترانسفورمر Vtr به طور طبیعی منجر به وجود آمدن جریان IL خواهد شد. جریان دیود D2 (D1) طبیعتا به وسیله ترانزیستور غیر موازی آن Q2 (Q1) هدایت می شود. هر ترانزیتور در ولتاژ صفر وشن می شود و هر دیود در جریان صفر خاموش می شود.

هیچ مشکل بازیافت معکوسی برای دیود های D1 و D2 بوجود نمی آید و ولتاژ سوئیچ Vcz روی ولتاژ باس DC محدود خواهد شد. به این خاطر در مبدل خود-نوسان ترانسفورمری به طور طبیعی مباحث  ZVS-CV رعایت خواهد شد.


(ادامه مقاله 2 در قسمت "  نحوه کار بالاست الکترونیکی (ادامه مقاله 2) " قرار دارد)


بازگشت به صفحه نخست