Питание лампы дневного света от аккумулятора
Иногда, бывает необходимость в освещении от автономного питания (аккумулятора): при отдыхе на природе, в походе, на рыбалке, сторожам и пчеловодам или при отключении электроэнергии дома. Можно запитать люминесцентную лампу, называемые еще — лампами дневного света от автономных низковольтных источников тока, например, от автомобильного аккумулятора через преобразователь напряжения — электронный балласт.
Давайте рассмотрим несколько схем, которые помогут нам в этом.
По схемотехническому исполнению электронные балласты, работающие от автономных низковольтных источников, разделяют на две группы:
двухтактные;
однотактные.
Они могут быть реализованы как на специализированных микросхемах, так и на дискретных элементах.
Двухтактный электронный балласт мощностью 30 Вт
Электронный балласт предназначен для питания ЛЛ при освещении гаража, садового домика или других небольших помещений.
Балласт выполнен на доступных элементах и без труда может быть повторен радиолюбителями средней квалификации.
К достоинствам устройства, в частности, относится его способность работать при пониженном до 5 В напряжении питания. Данный электронный балласт рассчитан на питание ЛЛ ЛБУ 30 мощностью 30 Вт и имеет следующие технические характеристики:
номинальное напряжение питания —13,2 В;
номинальный входной ток — 2,6 А;
частота преобразования — 20—25 кГц;
КПД устройства — 85 %.
Преобразователь выполнен на базе повышающего инвертора напряжения, нагруженного на последовательный колебательный контур, образованный катушкой индуктивности.
Структурная схема преобразователя
Колебательный контур образован элементами L2, С7. Инвертор выполнен по схеме двухтактного автогенератора с положительной обратной связью по току (ПОСТ) на элементах T1, Т2, L1, VT1, VT2, VD1—VD6, С2—С5, R1—R4. Такое построение инвертора позволяет минимизировать энергию, затрачиваемую на управление ключевыми транзисторами VT1, VT2, и снизить влияние напряжения источника питания на стабильность работы преобразователя.
В этом случае легко обеспечиваются и оптимальные частоты преобразования. Кроме указанных выше элементов, преобразователь содержит плавкий предохранитель FU1, конденсатор С1, защищающий источник питания от импульсных токов, и цепочку С6, R5, подавляющую высокочастотные колебания напряжения на обмотках трансформатора Т2.
Работает преобразователь следующим образом. В момент подачи питающего напряжения транзисторы VT1, VT2 закрыты, и напряжение на их коллекторах равно напряжению питания. Через резисторы R1, R2 протекает ток, заряжающий конденсаторы С2, С3 в направлении, противоположном их полярности, указанной на схеме.
Через некоторое время напряжение на базе одного из транзисторов (например, VT1) достигнет порога его открывания, и через коллекторную цепь потечет ток, который пройдет также через источник питания, обмотку I трансформатора Т2 и обмотку III трансформатора Т1. В результате появится ток и в обмотке II трансформатора Т1, который, в свою очередь, потечет через конденсатор С2 и переход «база-эмиттер» транзистора VT1.
При этом VT1 входит в режим насыщения, а конденсатор С2 перезаряжается в соответствии с указанной на схеме полярностью. Его перезарядка ограничивается диодом VD1. Таким образом происходит запуск преобразователя. Транзистор VT1 будет находиться в состоянии насыщения до тех пор, пока не прекратится базовый ток, что может произойти в результате снижения тока через первичную обмотку трансформатора Т2 или при коротком замыкании обмоток трансформатора Т1.
Запускается преобразователь на резонансной частоте контура L2C7, и транзисторы VT1, VT2 будут переключаться в момент перехода через нуль тока дросселя L2. После зажигания лампы EL1 и шунтирования ею конденсатора С7 передача энергии дросселя L2 лампе и конденсатору С7 затягивается, и частота преобразования снижается.
Её стабилизация при этом происходит на уровне, определяемом временем перемагничивания дросселя L1, который, насыщаясь, замыкает накоротко обмотку трансформатора Т1, что приводит к закрыванию одного транзистора и открыванию другого. Частота настройки колебательного контура выбрана равной 46 кГц, а рабочая частота преобразователя — 20—25 кГц.
При таком отношении частот обеспечивается максимальная эффективность работы. Цепочки С4, VD5, R3 и С5, VD6, R4 служат для снижения амплитуды коммутационного импульса на коллекторах транзисторов VT1, VT2 при их закрывании.
Преобразователь смонтирован на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 233 x 50 мм.
Чертеж возможного варианта печатной платы преобразователя
Питание лампы дневного света от аккумулятора
Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ, конденсаторов К73-17 (С1, С4, С5), К50-35 (С2, СЗ) и К15-5 (остальные), диодов серий КД105 (VD1, VD2) и КД212 (VD3—VD6). Транзисторы VT1, VT2 закрепляют с помощью стандартных фланцев и винтов с гайками М4 на Г-образных теплоотводах (на рис. изображены штрихпунктирными линиями). Каждый из них сгибают из пластины листового алюминиевого сплава АМц-П толщиной 2 мм (размеры заготовки — 85 x 50, полки — 50 x 12 мм) и привинчивают к плате винтами с гайками М3. Выводы транзисторов соединяют с печатными проводниками отрезками монтажного провода. Резисторы R3, R4 устанавливают перпендикулярно плате.
Электронный балласт может быть встроен в светильник или помещен в отдельный кожух. При монтаже дроссель L1 и трансформатор Т1 желательно разместить возможно дальше от трансформатора Т2 и дросселя L2, а оксидные конденсаторы С2, СЗ не располагать в непосредственной близости от транзисторов VT1, VT2 и резистора R5.
В преобразователе применены конденсаторы К73-17 (С1, С4, С5) на напряжение 63 В, К50-35 (С2, СЗ) на напряжение 25 В и К15-5 (С6, С7) на напряжение 1,6 кВ. Транзисторы КТ803А можно заменить на КТ908 с любыми буквенными индексами, а также их импортными аналогами. Их желательно выбрать с одинаковым коэффициентом передачи тока базы. Примененные в устройстве диоды КД105 могут иметь любой буквенный индекс. Подойдут и другие низкочастотные диоды с допустимым прямым током не менее 0,5 А. Диоды КД212 (VD3—VD6) также могут быть с любым буквенным индексом, а также их импортными аналогами. Их допустимо заменить другими кремниевыми диодами, способными работать на частотах до 50 кГц и допускающими прямой ток не менее 2 А и обратное напряжение не менее 50 В.
Дроссели и трансформаторы намотаны на кольцевых магнитопроводах из феррита М2000НМ-1.
Обмотки дросселей L1, L2 размещены на магнитопроводах типа: К7 х 4 х 2 и К40 х 25 х 11 и содержат 5 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,63 мм и 140 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,41 мм соответственно. Обмотки трансформаторов T1, Т2 намотаны на магнитопроводах типа: К20 х 12 х 6 и К40 х 25 х 11, соответственно. Обмотки I, III трансформатора Т1 содержат по 3 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,63 мм, а II — по 12 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,41 мм.
Каждая из обмоток I трансформатора Т2 состоит из 11 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,8 мм, а обмотка II — из 140 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,41 мм. Обмотки I трансформатора Т2 намотаны одновременно в два провода поверх обмотки II. Между обмотками для изоляции следует проложить лакоткань.
Питание лампы дневного света от аккумулятора
Обмотки трансформатора Т1 необходимо расположить в соответствии со схемой, показанной на рисунке.
Обмотка I должна размещаться симметрично относительно остальных обмоток с целью обеспечения симметрии полупериодов выходного напряжения и исключения одностороннего насыщения магнитопровода трансформатора, приводящего к увеличению потерь энергии. Дроссель L2 должен иметь немагнитный зазор. Для этого в его сердечнике перед намоткой нужно сделать пропил шириной 0,8 мм.
На время налаживания преобразователя вместо лампы EL1 и конденсатора С7 последовательно с дросселем L2 включают резистор сопротивлением 1 кОм и мощностью 5—10 Вт. Сначала проверяют надежность запуска преобразователя. Для этого на него подают питающее напряжение 5 В и, если он не начинает генерировать прямоугольные импульсы частотой 20—25 кГц, уменьшают сопротивление резисторов R1, R2, но не более, чем в три раза.
Далее контролируют частоту генерации преобразователя. Для этого на него подают номинальное напряжение питания 13,2 В и с помощью осциллографа или частотомера определяют частоту переменного напряжения на обмотках трансформатора Т2. Если она выходит за пределы 20—25 кГц, изменяют число витков дросселя L1. Для увеличения частоты число витков дросселя L1 уменьшают, а для снижения — увеличивают.
После этого восстанавливают выходные цепи преобразователя и последовательно с дросселем L2 включают резистор сопротивлением 10 Ом и мощностью 0,5—1,0 Вт. Затем на преобразователь подают номинальное напряжение питания, и после загорания лампы EL1 с помощью осциллографа контролируют форму напряжения на вновь установленном резисторе: она должна быть близкой к синусоидальной.
Ток через дроссель L2 должен составлять около 0,22 А. При подаче питания на преобразователь лампа должна загораться через 1—2 с. Помимо лампы ЛБУ 30 совместно с описанным преобразователем могут работать и другие, рассчитанные на те же напряжение и ток.
Однотактные преобразователи
Довольно часто для реализации электронных балластов, работающих от низковольтных источников питания, используют однотактные повышающие преобразователи. Достоинством этих преобразователей является низкая стоимость реализации. Среди различных схем предельной простотой отличается однотактный автогенераторный преобразователь, схема которого приведена на рисунке ниже.
Питание лампы дневного света от аккумулятора
Рассмотрим кратко принцип его работы. Трансформатор Т1 — линейный дроссель; интервалы накопления энергии в нем и передачи накопленной энергии в нагрузку разнесены во времени. На рисунке, ниже показаны временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.
Питание лампы дневного света от аккумулятора
При подключении питающего напряжения С/пит через резистор R1 начинает проходить ток базы транзистора VT1. Диод VD1 препятствует прохождению тока по цепи базовой обмотки, а шунтирующий его конденсатор С2 увеличивает положительную обратную связь (ПОС) на этапе формирования фронтов напряжения. Транзистор приоткрывается, замыкается цепь ПОС через трансформатор Т1, в котором происходит регенеративный процесс накопления энергии. Транзистор VT1 входит в насыщение. К первичной обмотке трансформатора приложено напряжение питания, и ток I, (ток коллектора Iк транзистора VT1) линейно нарастает.
Ток базы IБ насыщенного транзистора определяется напряжением на обмотке III и сопротивлением резистора R2. Когда ток коллектора Iк достигнет значения
Питание лампы дневного света от аккумулятора
где Ь21э — статический коэффициент передачи тока транзистора VT1, транзистор выходит из режима насыщения.
Развивается обратный регенеративный процесс: транзистор закрывается, и энергия, накопленная трансформатором, передается в нагрузку. После уменьшения тока вторичной обмотки вновь начинается этап накопления энергии. Интервал времени tn максимален при включении преобразователя, когда конденсатор С3 разряжен, и напряжение на нагрузке равно нулю.
Рассматриваемая схема является функциональным преобразователем источника напряжения питания Uпит в источник тока нагрузки Iн.
Важно отметить, поскольку этапы накопления энергии и ее передачи разнесены во времени, максимальный ток коллектора транзистора не зависит от тока нагрузки, т. е. преобразователь полностью защищен от замыканий на выходе. Однако при включении преобразователя без нагрузки (режим холостого хода) всплеск напряжения на обмотке трансформатора в момент закрывания транзистора может превысить максимально допустимое значение напряжения «коллектор-эмиттер» и вывести транзистор из строя.
Недостаток простейшего преобразователя — зависимость тока коллектора Iк , а следовательно, и выходного напряжения от статического коэффициента передачи тока транзистора VT1. Поэтому параметры источника питания будут значительно отличаться при использовании различных экземпляров транзисторов.
Однотактный преобразователь с регулируемой яркостью
Данный однотактный преобразователь позволяет регулировать яркость лампы и устанавливать ее такой, чтобы энергия батареи расходовалась более экономно.
Преобразователь состоит из задающего генератора и однотактного усилителя мощности. Генератор выполнен на элементах DD1.1—DD1.3. Такой генератор позволяет изменять скважность импульсов (т. е. отношение периода следования импульсов к их длительности) переменным резистором R1, что определяет яркость ЛЛ. К генератору подключен буферный элемент DDI.4.
Сигнал с DD1.4 подается на усилитель мощности, выполненный на транзисторах VT1, VT2. Нагрузка усилителя — ЛЛ (EL1), подключенная через повышающий трансформатор Т1. Допустимо подключать лампу как с замкнутыми выводами нитей накала (показано на схеме), так и с разомкнутыми. Иначе говоря, целостность нитей накала лампы не играет роли.
Схема однотактного преобразователя с регулировкой яркости
Питание лампы дневного света от аккумулятора
Питается преобразователь от источника постоянного тока напряжением 6—12 В, способного отдавать в нагрузку ток до нескольких ампер (в зависимости от мощности лампы и установленной яркости). Питание на микросхему поступает через параметрический стабилизатор, в котором работают балластный резистор R4 и стабилитрон VD3. При минимальном питающем напряжении стабилизатор практически не действует, но это не сказывается на работе преобразователя.
Кроме указанных на схеме, допустимо использовать транзисторы КТ3117А, КТ630Б, КТ603Б (VT1), КТ926А, КТ903Б (VT2), диоды серии КД503 (VD1, VD2), стабилитрон Д814А (VD3). Конденсатор С1 — КГ, KM, К10-17, остальные — К50-16, К52-1, К53-1. Переменный резистор — любой конструкции (например, СП2, СПЗ), постоянные — ОМЛТ-0,125. Лампа — мощностью от 6 до 20 Вт.
Трансформатор намотан на броневом магнитопроводе из феррита 2000НМ1 наружным диаметром 30 мм. Обмотка I содержит 35 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,45 мм, обмотка II —1000 витков ПЭВ-2 диаметром 0,16 мм. Обмотки разделены несколькими слоями лакоткани.
Для повышения надежности обмотку II необходимо разделить на несколько слоев, прокладывая между ними лакоткань. Чашки магнитопровода собирают с зазором 0,2 мм и стягивают винтом и гайкой из немагнитного материала. С несколько худшими результатами (соотношением «яркость — потребляемый ток») будет работать трансформатор, выполненный на магнитопроводе от строчного трансформатора телевизора.
Налаживание преобразователя
Налаживание начинают с проверки задающего генератора при отключенном выходном каскаде усилителя. К выводу 11 микросхемы подключают осциллограф и наблюдают импульсы, показанные на диаграмме ниже.
Затем устанавливают движок переменного резистора в левое по схеме положение «СОПРОТИВЛЕНИЕ ВВЕДЕНО». Измеряют длительность импульсов и период их следования.
Подбором резистора R3 добиваются длительности импульсов примерно 20 мкс, а подбором резистора R2— периода следования, равного приблизительно 50 мкс. Перемещая после этого движок из одного крайнего положения в другое, убеждаются в изменении периода следования импульсов при неизменной их длительности.
Далее подключают выходной каскад, осциллограф соединяют с коллектором его транзистора, а в цепь питания включают амперметр со шкалой на 2—3 А. Перемещением движка добиваются «пробоя» (резкого увеличения яркости) лампы и контролируют диапазон изменения яркости и потребляемого тока при различных положениях движка резистора. Наблюдают форму импульсов на коллекторе транзистора VT2 — см. рис.
Питание лампы дневного света от аккумулятора
Такая форма получилась при работе преобразователя с лампой ЛБ 18. Возможно, придется точнее подобрать резисторы R2, R7, а в некоторых случаях установить переменный резистор другого номинала, чтобы достигнуть необходимых пределов изменения яркости и приемлемого потребляемого тока.
В режиме минимальной яркости, которой соответствует в зависимости от питающего напряжения и мощности лампы ток 250—400 мА, запуск генератора, а значит, включение лампы, удобнее осуществлять нажатием на кнопку SB1. Иногда нелишне попробовать изменить полярность включения лампы и проверить надежность ее зажигания в этом режиме.
Оценить эффективность работы преобразователя с разными транзисторами, трансформаторами, изменениями режимов и т. д. Можно так: на расстоянии примерно 0,5 м от лампы укрепляют фотодиод или фоторезистор и подключают к нему омметр. Измеряют его сопротивление при горящей лампе и фиксированном токе потребления преобразователя. Далее проводят замену детали, резистором R1 устанавливают прежний ток и измеряют сопротивление фотоэлемента. Если оно уменьшилось, значит, яркость лампы возросла; результат эксперимента можно считать наилучшим!
Давиденко Ю. Н.
500 схем для радиолюбителей. Современная схемотехника в освещении. Эффективное электропитание люминисцентных, галогенных ламп, светодиодов, элементов «Умного дома».
