Питание люминесцентных ламп от низковольтных источников напряжения постоянного тока
Тарас Холопцев, Киев
В связи с перебоями в снабжении электроэнергией появляется много проблем по обеспечению работоспособности радио и телеаппаратуры, компьютеров, освещения и т.д. Особенно доставляет много хлопот пропадание электроэнергии во время экстремальных ситуаций, например, когда врачи борятся за жизнь человека, или когда срочно необходимо произвести неотложные аварийные работы и т.д.
Один из наиболее доступных путей, обеспечивающих бесперебойное питание, это переход на те электроприборы, которые по техническим и эксплуатационным характеристикам могут работать от автономных источников электроэнергии, заряжаемых или поддерживаемых в заряженном состоянии во время нормального электроснабжения.
Основным и доступным средством являются аккумуляторные батареи, от которых непосредственно можно запитывать лампы накаливания напряжением 6, 12, 24 В, электронную аппаратуру автомобиля, радиоприемники, телевизоры, часы, компьютеры и многое другое. Аппаратуру, работающую от сети 220 В переменного тока можно за-питать посредством преобразователей (12-220/110 В), (24-220/110 В).
В настоящей статье предлагаются три схемы преобразователей, предназначенных для питания люминесцентных ламп мощностью 4-10 Вт от источника постоянного тока напряжением 12 В. Они отлично работают как с отечественными лампами ЛБ6-2, ЛБ4-2, ЛБ4-7, ЛБ6-7, ЛВ8-1, ЛЕЦ8, ЛБЕ10, ЛБ18-1, так и с зарубежными Philips TL6W/33, TL6W/54, TL4W/33, TL8W/33. TL8W/840 и т.п. Аналогичные схемы используются в портативных светильниках с батарейным питанием импортного производства и при своей простоте имеют высокие технические характеристики.
Описание принципа работы.
При подаче напряжения на схему (рис. 1) через резистор R1 пойдет ток, по величине ограниченный сопротивлением R1, и происходит процесс заряда конденсатора С1. По достижении напряжения около 0,6 В одновременно на базе транзистора VT1 и конденсаторе С1 транзистор лавинообразно войдет в режим насыщения за счет глубокой положительной обратной связи между базой и коллектором транзистора VT1 посредством базовой и индуктивно-связанной коллекторной обмоток трансформатора Т1. С этого момента в цепи коллектора происходит нарастание тока по линейному закону, описываемому формулой (dIк/dt)L = U. В это же время происходит уменьшение базового тока транзистора VT1 по причине перезаряда конденсатора С1. При достижении неравенства Iк > h21э Iб транзистор VT1 лавинообразно выйдет из насыщенного состояния. При этом индуктивность коллекторной обмотки трансформатора Т1, стремясь обеспечить ток в коллекторной цепи транзистора VT1 и взаимодействуя с высокоимпедан-сным состоянием элементов схемы, создаст всплеск напряжения, превышающий по величине напряжение питания в десятки раз, а на вторичной обмотке в К = Wл/Wк раз, где: Wл - количество витков выходной обмотки, Wк - количество витков коллекторной обмотки. Благодаря этим всплескам напряжения, достигающим по величине 1000 В, происходит поджиг лампы, в результате внутреннее сопротивление ее резко уменьшается и вместе с ним падение напряжения на ней, приближающееся к рабочему напряжению, на которое рассчитан применяемый тип лампы.
Puc.1
В процессе макетирования и отладки схемы были сняты осциллограммы коллекторного напряжения и представлены на рис.4 и 5. Амплитуда выбросов напряжения (рис.4) ограничена по цепи коллекторной обмотки током в пределах граничного напряжения применяемого транзистора VT1 и по цепи базовой обмотки током зенеровского пробоя перехода база-эмиттер VT1. На рис.5 видно резкое снижение величины импульсного напряжения на коллекторе транзистора VT1, так как вторичная обмотка трансформатора Т1 после пробоя газа в лампе HL1 оказалась нагружена на низкое внутреннее сопротивление, определяемое вольт-амперной характеристикой применяемого типа лампы. Трудно переоценить эту простую схему блокинг-генератора, которая автоматически адаптируется к изменяемым нагрузкам, и если не взирать на некоторые недостатки, ее можно назвать «чудом» импульсной техники.
Схема, представленная на рис.2 позволяет удачно сочетать в себе взаимосвязь элементов схемы с конструктивным ее исполнением. Отражатель лампы, выполненный из блестящего металла и подключенный к коллектору VT1, выполняет одновременно функции радиатора и проводника для лучшего по джига лампы, а также позволяет присоединить электроды лампы без дополнительного провода. Упрощено изготовление трансформатора Т1, так как к лампе подключены последовательно две обмотки - коллекторная и выходная, имеющая меньше витков на их количество, которое содержит коллекторная обмотка. Схема на рис.3 отличается от предыдущих размещением базовой обмотки, и в результате коллекторная, базовая, и выходная обмотки соединены последовательно и подключены к лампе. Это позволило упростить конструкцию и облегчить изготовление трансформатора Т1. Вместо шести выводов, как в схеме на рис. 1, всего три. Все три обмотки участвуют в создании выходного напряжения на лампе. Так же, как и в предыдущей схеме, конструкция отражателя для лампы HL1, радиатора для транзистора VT1, и проводника для подключения электрода лампы выполняет одна и та же деталь. Эта схема наиболее технологична и менее трудоемка.
Конструкция и детали
Радиоэлементы схемы, а именно трансформатор Т1, резисторы R1, R2, конденсатор С1, диод VD1 можно разместить на плате из фольги-рованного стеклотекстолита и при простоте схемы плату несложно выполнить путем механического снятия фольги при незатейливой конфигурации рисунка. Транзистор VT1 необходимо установить на подходящий по конструкции теплоотвод площадью > 20 см2 , форма и габариты которого будут определяться типом применяемой лампы и конструкцией корпуса. Как уже говорилось выше, удобнее всего сочетать в одной детали отражатель, радиатор, электрод для поджига, проводник для подключения лампы. Транзистор VT1 должен обладать достаточным быстродействием (t рас.<1мкс), при этом граничное напряжение должно быть U гр.>200 В, коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером h 21э >20. Величины импульсных токов, при которых будет работать транзистор VT1 Iк = (0,8 - 1,5) А, и необхожи-мо, чтобы такие токи находились на возрастающем участке характеристики п21э(1к). Желательно применение транзисторов с возможно большим обратным напряжением база-эмиттер Uбэ>5В. Эти параметры необходимо учитывать и при ремонте импортных светильников. Удовлетворительные результаты были получены при использовании транзисторов КТ847А, КТ841А, КТ842А, из недорогих - КТ805АМ. В процессе макетирования схем было испытано несколько конструкций трансформаторов. Наилучшие результаты были получены при использовании броневых сердечников из ферритов марки М2000НМ, типоразмеров Б26, БЗО, 536 и Ш-образных сечением 7x7 из феррита 4000. При сборке трансформаторов необходимо обеспечить немагнитный зазор h = 0,025...0,1 мм для предотвращения намагничивания магни-топровода. Больший зазор ведет к резкому уменьшению индуктивности трансформатора Т1, что ухудшит условия работы схемы.
На пластмассовом каркасе первой наматывают проводом ПЭВ 0,4 коллекторную обмотку, затем прокладывается слой изоляции и наматывается базовая обмотка проводом ПЭВ 0,2. Поверх базовой обмотки прокладывается слой лакоткани или фторопластовой ленты и наматывается вторичная обмотка проводом ПЭВТЛ-2 диаметром 0,15...0,2 мм, виток к витку и с послойной прокладкой изоляции. Ориентировочно количество витков обмоток можно выбрать, руководствуясь таблицей 1.
|
Мощность лампы, Вт |
Uпит = 6 В |
Uпит = 6 В |
Магнитопровод |
||||||
|
I базов. |
II колл. |
III втор. |
I базов. |
II колл. |
III втор. |
||||
|
4 |
6 |
12 |
80 |
6 |
22 |
60 |
526, БЗО |
||
|
6 |
7 |
12 |
100 |
6 |
22 |
80 |
М2000НМ |
||
|
10 |
8 |
12 |
120 |
6 |
22 |
110 |
Ш7х7 |
||
|
14 |
8 |
12 |
200 |
6 |
22 |
180 |
М4000 |
||
Вторичную обмотку можно сделать универсальной с отводами через каждые 30...50 витков. Диод VD1 необходим для того, чтобы, участвуя в автоколебательном процессе, отдавать энергию накопленную индуктивностью коллекторной обмотки трансформатора Т1 в периоды выключенного состояния транзистора VT1. Это позволяет адаптировать схему к различным нагрузкам и применять различные источники тока. При этом необходимо вместо резистора R1 подключить два резистора - один постоянный сопротивлением 430 Ом, а второй переменный сопротивлением 2,2 кОм включенные последовательно. Диод VD1 должен быть рассчитан на напряжение Uобр. > 200 В, иметь рабочую частоту fp. > 100 кГц, средний выпрямленный ток Icp. > 200 мА. Кроме указанных на схеме можно применять четыре диода типа КД 510А, соединив их последовательно.
Конструкция люминесцентного светильника выполнена из предметов, которыми часто наполняют мусорное ведро в быту. Корпус (рис.6, рис. 10) изготовлен из отработанного картриджа типа EPSON Mx80/Fx80, внутри которого перегородки необходимо удалить. Можно также использовать подходящий профиль из алюминия или пластмассы и т.п. Передний прозрачный экран выполнен из пластиковой бутылки из под «PEPSI» или любой другой емкостью 2 л с прямыми сторонами. Размеры приведены на рис. 7. Желательно применять светлого цвета без оттенков и царапин. На рис. в указана часть, которую необходимо вырезать из пластиковой бутылки для изготовления прозрачного экрана.
Из оставшихся двух частей, применяя фантазию, можно изготовить подставку для карандашей, ручек или фужер для полива цветов и т.п. На рис.7 показаны участки, ограниченные пунктирными линиями, которые нужно заклеить кусками из тонкой черной пластмассы, вырезанной из корпусов от старых компьютерных дискет (5,25), клеем типа «Момент». На рис. 9 представлен чертеж рефлектора-радиатора, который вырезан из жести, используя для этого банки от кофе типа «Nescafe» или «Monterey» емкостью 250 гр.
Рефлектор (а) приклеивается к корпусу картриджа (е) с помощью клея "Момент". Прозрачный экран (рис.7, рис.10) изгибается вдоль длинной стороны и вставляется в щель между рефлектором (а) и корпусом (е), в котором сверлятся четыре отверстия диаметром 1,2...2 мм совместно с прозрачным экраном, и скрепляются при помощи четырех шурупов или винтов соответствующего диаметра.
Для крепления светильника при различных условиях необходимо предусмотреть пружинные клипсы, петли, магнит и т.п. Возможно дополнительно приспособить светильник как часть настольной лампы, налобный фонарь и т.д. После сборки схемы и подключения ее к источнику питания она начинает работать сразу при условии, что монтаж выполнен без ошибок и все детали заведомо исправны. В цепь между источником питания и схемой лампы включить амперметр и произвести регулировку тока потребления резистором R1. Для экономичных режимов работы необходимо установить ток потребления в пределах 120. ..200 мА, если же используется достаточно энергоемкий источник, потребляемый ток можно увеличить до 500 мА, соответственно получив при этом больший световой поток. Если необходимо использовать светильник при различных режимах работы и от разных источников электроэнергии, необходимо вместо резистора R1 установить два соединенных последовательно резистора, один из которых - переменный. Величины сопротивлений приведены выше в тексте. Таким образом вы получите возможность плавной регулировки светового потока.
Во всех трех схемах рис.1 - рис.З статьи неверно указан номинал резисторов R1; должно быть R1=10...47 Ом.
Литература.
1.А.Халатян. Питание ламп дневного света. Москва, ДОСААФ СССР, 1979, ВРЛ № 67 стрЗЗ.
2.Б.С.Гершунский. Справочник по расчету электронных схем. Киев, Высшая школа, 1983, стр 79.
З.В.А. Маруфенко. О питании ламп дневного света. - * Радиохобби*, 1998, июнь, стр 44.
4.Г.С. Найвельт. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры, Москва, "Радио и связь», 1985, стр. 576.
Радиохобби 3/99, с.28-29.