Elektroniczne układy stabilizacyjno-zapłonowe dla lamp fluorescencyjnych

Zasada działania lampy fluorescencyjnej opiera się na wyładowaniach zachodzących pomiędzy elektrodami w szklanej tubie wypełnionej parami rtęci i argonu. Przyłożone do elektrod napięcie powoduje wyładowanie w gazie, a w konsekwencji emisję światła ultrafioletowego, które to następnie jest zamieniane na światło widzialne przechodząc przez luminofor umieszczony na ściankach tuby. Jednak, aby to nastąpiło, konieczne jest najpierw podanie impulsu jonizującego gaz w lampie. Następnie, podczas świecenia lampy, przepływający przez lampę prąd zapewnia ciągły stan zjonizowania gazu. Aby zapłon lampy odbył się bez migotania, wstępnie podgrzewa się elektrody do temperatury z zakresu od 600°C do 700°C. Zabieg ten przyczynia się także do zwiększenia żywotności lampy.

Tradycyjne układy zapłonowe

Podczas pracy lampy, zmniejszanie się napięcia między elektrodami powoduje znaczny wzrost prądu w układzie. Z tego powodu układ sterujący pracą lampy musi być wyposażony w element ograniczający natężenie prądu na lampie. Dotychczas najpopularniejszym rozwiązaniem było użycie stateczników magnetycznych oraz zapłonników, takich jak układ przedstawiony na rys. 1. Dławik, wstawiony szeregowo z lampą, pełni funkcję ogranicznika prądu, ale także przyczynia się do powstania fali przepięciowej podczas zapłonu. Zapłonnik, włączony równoległe do lampy, służy do wstępnego podgrzania żarników lampy oraz, gdy to nastąpi, przerwania obwodu. Powoduje to nagły wzrost napięcia na lampie, w wyniku czego następuje jej zapłon. Początkowo, przełącznik S1 jest zwarty, a prąd płynie przez dławik L1 oraz żarniki lampy. Po określonym czasie, gdy żarniki uzyskają odpowiednią temperaturę, przełącznik S1 jest otwierany. Gwałtowna zmiana natężenia prądu powoduje powstanie dużej siły elektromotorycznej na dławiku, a w konsekwencji zapłon lampy.

Rozwiązanie to charakteryzuje się szeregiem wad. Po pierwsze, zmiana stanu przełącznika może nastąpić, kiedy napięcie podawane na układ ma wartość chwilową zbliżoną do 0V. W tym przypadku przepływający przez lampę prąd oraz napięcie zapłonowe są niewystarczające, co sprawia, że lampa może nie zacząć świecić. Zmniejsza to komfort użytkowania lampy, jako że wynikiem jest często spotykane zjawisko migotania przy zapalaniu. Ponadto, w przypadku tego typu układów, zapłon lampy może trwać do 2s, natomiast lampa osiąga pełną wydajność świetlną nawet w czasie do 2 minut. Głównym jednak problemem jest mała wydajność statecznika magnetycznego. Związane jest to nie tylko ze stratami energii w uzwojeniu. Jony gazu rekombinują podczas każdego przejścia napięcia zasilania przez wartość zero, po czym gaz jest ponownie jonizowany podczas trwania kolejnego półokresu przebiegu napięcia zasilania. Efekt ten znacząco przyczynia się do poboru energii przez lampę. Szacuje się, że straty na obwodzie statecznika magnetycznego stanowią ok. 10-20% całkowitej energii pobieranej przez układ oświetleniowy.

Stateczniki elektroniczne

Rys 1. Tradycyjny statecznik magnetyczny z cewką L1 zapłonnikiem S1

Mimo, że statecznik elektroniczny jest bardziej kosztowny od swojego magnetycznego odpowiednika, to wydatek ten może się zwrócić już nawet po roku użytkowania lampy. To, co stanowi o atrakcyjności tego rozwiązania, to wysoka wydajność, bezmigotliwy zapłon, cicha praca oraz wydłużenie czasu życia lampy. Zasilanie lampy prądem o wysokiej częstotliwości przyczynia się do braku pulsacji uzyskiwanego strumienia świetlnego. Stabilniejsze napięcie i prąd niż w przypadku stateczników magnetycznych umożliwiają płynną regulację natężenia uzyskiwanego światła. Ponadto, układy tego typu są nie tylko mniejsze i lżejsze w porównaniu z magnetycznymi, ale możliwe jest także użycie pojedynczego statecznika do kontroli kilku lamp.

Użycie statecznika elektronicznego pozwala na dokładne wstępne podgrzanie elektrod. Przekłada się to na znacznie dłuższy czas życia tego elementu, niezależny od liczby włączeń i wyłączeń. Przewiduje się, że możliwe jest wydłużenie tym sposobem pracy lampy nawet o 50%. Ponadto, układ ten zapewnia start oraz działanie bez migotania i tętnienia, stałe parametry uzyskiwanego światła bez względu na zmiany napięcia zasilania oraz wysoką wartość współczynnika mocy. Kolejną zaletą tego rozwiązania jest możliwość użycia do zasilania lampy prądu o większej częstotliwości, przewyższającej rozwiązanie oparte na stateczniku indukcyjnym nawet o 30 do 60kHz. Przy tak krótkim okresie przepływającego prądu rekombinacja jonów gazu nie następuje, co przekłada się na znacznie mniejsze straty w układzie. Ponadto, układy stateczników elektronicznych same w sobie są projektowane na mniejsze zużycie energii, przez co ich wydajność wynosi zwykle powyżej 90%. Sprawia to, że systemy oparte na tym rozwiązaniu odznaczają się nawet o 30% mniejszym zużyciem energii niż tradycyjne rozwiązania wykorzystujące na balast magnetyczny. Inną zaletą jest możliwość zasilania układu prądem stałym, co jest przydatne w niektórych zastosowaniach. Przykładem mogą być sytuacje, w których stosuje się zasilanie awaryjne.

Implementacja

Rys. 2. Schemat blokowy typowego statecznika elektronicznego

Podobnie, jak w przypadku stateczników magnetycznych, ich elektroniczne odpowiedniki są montowane w oprawach lamp. Najczęściej wykorzystywany układ przedstawiony jest na rys. 2. Opiera on swoje działanie na przetworniku w konfiguracji półmostkowej. Lampa sterowana jest napięciem przemiennym o zmiennej częstotliwości, jednak stałym współczynniku wypełnienia zbliżonym do 50%. Początkowo, zanim zacznie emitować światło, kontroler statecznika generuje napięcie o częstotliwości wyższej niż częstotliwość rezonansowa L/C. Powoduje to, że przez żarniki płynie spory prąd, który ma celu podgrzanie elektrod do odpowiedniej temperatury, gwarantującej bezpieczny zapłon. Po określonym czasie kontroler zaczyna zmniejszać częstotliwość napięcia podawanego na lampę, zbliżając się do wartości rezonansowej. Wysokie napięcie powstające na obwodzie rezonansowym, co prowadzi do zapłonu. Większość aplikacji wyposażona jest w układ mierzący bezpośrednio lub pośrednio natężenie prądu na lampie, na podstawie czego ustala się częstotliwość podawanego przez kontroler napięcia.

Międzynarodowe standardy zasilania lamp fluorescencyjnych wymagają wysokiego współczynnika mocy tych układów. Jest to obowiązkowe, jeśli ich moc jest większa niż 25W. Związane jest to głównie z koniecznością redukcji energii traconej na elementach oświetlających. Szacuje się, że energia przeznaczona na oświetlenie stanowi od 10% do 12% całkowitej wykorzystywanej energii. Ponadto, w przeciwieństwie do innego sprzętu elektronicznego, tego typu elementy są włączone zwykle parę godzin dziennie.

Najatrakcyjniejszym, pod kątem ekonomicznym, jest zastosowanie układu typu PFC, który koryguje współczynnik mocy. Zasada działania PFC polega na przesunięcia fazy prądu wejściowego tak, aby w przypadku idealnym był on zgodny w fazie z napięciem wejściowym. W praktyce, dokłada się starań, aby wartość maksymalna prądu w dławiku była proporcjonalna do wyprostowanego napięcia wejściowego. Istnieją dwa popularne rozwiązania układu sterującego. Pierwszy z nich pracuje w tzw. trybie prądowym, co zakłada pomiar wyprostowanego napięcia wejściowego, w celu generacji sygnału odniesienia. Przykładem takiego rozwiązania jest układ FAN7527. Drugi sposób realizowany jest za pomocą układu FAN7529, który pokazano na rys. 3. Opiera się on na określeniu stałego odcinka czasu, podczas którego urządzenie przełączające kieruje na dławik L napięcie wejściowe. Zgodnie ze wzorem dI/dt = V/L, w tym przypadku także i prąd na cewce jest proporcjonalny do podawanego napięcia. Tryb ten nazywany jest napięciowym. W obydwu rozwiązaniach stosuje się podobne metody pomiaru oraz regulacji napięcia wyjściowego.

Automatyczny wyłącznik zużytej lampy

Rys. 3. Układ statecznika elektronicznego realizującego korekcje współczynnika mocy w trybie napięciowym

Ważnym zagadnieniem jest kontrola stanu lampy. W tubie świetlówki istnieje region, położony blisko katody, w którym napięcie wyładowań w gazie znacząco spada, a światło nie jest emitowane. Wraz z upływem czasu pracy lampy, region ten powiększa się. Skutkuje to dużymi stratami energii w tym obszarze, objawiającymi się przede wszystkim zwiększonym wydzielaniem ciepła. W przypadku lamp o małej średnicy jest to szczególnie niebezpieczne, jako że może doprowadzić nawet do stopienia materiału świetlówki. W celu niedopuszczenia do takiej sytuacji stosuje się układy typu „End of Lamp Life”, gwarantujące wyłączenie lampy w przypadku zbyt dużych strat energii. Najczęściej spotykana implementacja zakłada pomiar całkowitego napięcia lub prądu na lampie lub też asymetrii tych wartości na poszczególnych elektrodach. Rozwiązanie to oparte jest na fakcie, że zasilanie lampy prądem przemiennym sprawia, że naprzemiennie jedna z elektrod jest katodą, a druga anodą. Jeśli jedna z elektrod wcześniej straci swoją emisyjność, praca lampy staje się asymetryczna.

Układy dla świetlówek

Rys. 4. Układ statecznika dla kompaktowej lampy fluorescencyjnej

Nieco inaczej projektowane są elektroniczne stateczniki dla kompaktowych lamp fluorescencyjnych. Jako że w przypadku świetlówek układ ten jest na stałe zintegrowany z lampą, nikt nie oczekuje, że będzie on miał trwałość dochodzącą do 50000 godzin, jaką można spotkać w balastach montowanych oddzielnie. Inną różnicą jest częsty brak korekcji współczynnika mocy. Związane jest to głównie z koniecznością zapewnienia jak najmniejszej ceny lampy. Aby ominąć konieczność stosowania takiego układu, a przy tym pozostać w zgodzie z unijnym prawem, producenci świetlówek produkują elementy o mocy poniżej 25W. Ma to wpływ na architekturę układu stabilizacyjno-zapłonowego. Mimo podobnej zasady działania, jak w przypadku tradycyjnych lamp, świetlówki zamiast układu scalonego wykorzystują oscylator półmostkowy, jak przedstawiono to na rysunku 4 Istnieją jednak układy scalone przeznaczone do tego typu aplikacji, które produkowane są przez wiele firm, np. Fairchild, International Rectifier, ST Micro i inne.

Jacek Dębowski