Энергосберегающие лампы. Изучение электроники КЛЛ (часть 1) (страница 2)
реклама
Некоторые характеристики основных электронных компонентов
Электронный балласт выполняется практически по одной и той же схеме, отличия не столь существенны, что позволяет достаточно быстро оценивать «запас прочности» каждой модели КЛЛ. Основные различия в электронике между лампами существуют в следующих элементах:
- Номинальная емкость сглаживающего конденсатора. От ее величины зависит уровень пульсаций напряжения питания преобразователя и, как следствие, уровень мерцания светового потока. Чем больше емкость, тем равномернее световой поток во времени. Увы, бывают случаи установки конденсаторов явно недостаточной емкости, что приводит к дикому уровню мерцания. Причем, чаще всего это встречается не в «noname» продукции. Причина этого, гм, «действа» не в экономии, что было бы хоть как-то объяснимо, а в откровенной дури – производители «борются» за хороший «cos». В требованиях записано, что уровень коэффициента мощности не должен быть меньше 0.6. Этот параметр немного зависит от величины сглаживающего конденсатора, поэтому его номинал сразу пускают «под нож», не усложнять же схему полноценной APFC. Ну а мерцания – это проблема покупателя, требования на него не распространяются. Подчас доходит до казусов, в «noname» продукции ранних выпусков номинальная емкость сглаживающих конденсаторов была в несколько раз больше «современных стандартов», но и они постепенно переходят в гармонию с пожеланиями «фирменной» продукции.
- Резонансный конденсатор. У него множество качественных характеристик, и каждое из них важно для схемы балласта. Номинальная емкость, напряжение и габаритные размеры – ценность и влияние их понятно без дополнительного обсуждения, но есть и не столь очевидные, например уровень потерь на высокой частоте (измеряется в тангенсе угла потерь, «tg»), или устойчивость характеристик при нагреве. К сожалению, не все можно измерить с помощью обычных приборов. Например, один из основных характеристик - величину потерь на высокой частоте, не удается полноценно измерить в виду того, что у меня отсутствует прибор, позволяющий производить измерения на частоте около 50 кГц с и уровнем испытательного сигнала порядка 500 вольт.
- Резонансный дроссель. Магнитопровод дросселей, применяемых в КЛЛ, выполняется из феррита, поэтому какие-то специфические проблемы с частотой у этого элемента отсутствуют – обычные марки ферритов эффективно работают до 500-1000 кГц. Но у дросселя существует несколько критичных параметров, превышение которых приводит его в нерабочее состояние - напряжение на обмотке и ток через нее. Превышение (как первого, так и второго) приводит к завышенной величине напряженности магнитного поля в сердечнике и он насыщается. Обычно с уровнем напряжения проблемы не возникает, дроссель обладает достаточно большой индуктивностью (1.7-5 мГн), что подразумевает большое количество витков, а вот величина тока – характеристика, весьма чувствительная к току через резонансные элементы схемы. Ранее приводилась симуляция резонансной схемы согласования с лампой, был показан ток через конденсатор. Точно такой же ток течет и через дроссель, и даже больше (добавляется ток через колбу). Наибольшая величина приходится на работу с высоким сопротивлением нагрузки, что характерно для состояния зажигания колбы. В этот момент дроссель может кратковременно насыщаться и вся энергия будет «утекать» в него. Последнее приведет к невозможности включения лампы и перегоранию катодов. Впрочем, тестирование ламп не выявило наличие подобных дефектов.
- Транзисторы. Номиналы и типы реактивных элементов могут меняться от лампы к лампе самым причудливым образом, а с транзисторами все проще, их ассортимент не особо многогранен. Чаще всего встречаются модели 1300х и их характеристики известны. Впрочем, попадаются их разновидности с добавлением защитного диода и измененной цоколевкой корпуса - при замене транзисторов следует проявлять повышенное внимание.
По конденсаторам и дросселям все более-менее непонятно, но коль скоро справочные данные отсутствуют, то и рассуждать не о чем. А вот на транзисторы существует техническая документация и их можно сравнить довольно четко. Типичные представители:
|
|
|
|
|
Предельное напряжение К-Э, В |
|
|
|
|
Максимальный ток, А |
|
|
|
|
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт |
|
|
|
|
Тип корпуса |
|
|
|
|
Внешний вид транзисторов и их типичный корпус:
реклама
По упаковке транзисторов хочется сказать пару слов. Иногда я слышу рассуждения, что транзистор в маленьком корпусе гораздо слабее тех, которые исполнены в корпусе большего размера. Отчасти это верно, но только отчасти. Если транзистор обладает маркировкой 13002, то, вне зависимости от размера корпуса, будет использоваться одна и та же пластинка кремния. То есть его электрические характеристики практически не изменятся, кроме одного и по очевидной причине – в большем корпусе транзистор может рассеять большее количества тепла без чрезмерного нагрева. Корпус работает как радиатор – чем он больше, тем лучше отводится тепло, что означает повышение мощности.
Взглянем на упаковку TO-126, в ней явно присутствует теплорассеивающая медная пластинка, которая позволяет равномерно распределить тепловой поток от кристалла по поверхности корпуса. Для TO-92 подобный элемент может отсутствовать, что повысит тепловое сопротивление «кристалл-корпус» и негативно скажется на рабочих температурах. К слову, TO-126 предназначен для отвода большого количества тепла, а TO-92 нет. Для рассматриваемого случая, в преобразователях электронного балласта КЛЛ, мощность рассеивания транзисторов не столь велика, а потому специальные радиаторы на транзисторы не устанавливаются и им приходится обходиться лишь тем, что есть у них самих.
Откуда же берется такой странный вариант, как «13002+ TO-92»? Применение транзистора с несколько избыточной мощностью позволяет получить меньшие потери (то есть нагрев), а корпус TO-92 – сэкономить деньги. Для производства транзистора в такой упаковке требуется меньше пластика и меди, да и сам он меньшего размера – все это позволяет значительно снизить стоимость транзистора, а для КЛЛ цена является «определяющей» характеристикой, ведь лампу с завышенной ценой никто не возьмет.
Ряд «1300х» включает три номера. Впрочем, нумерация продолжается и дальше, только в КЛЛ с цоколем Е27 они не находят своего применения. Можно предположить, что номер «1» характеризуется самой низкой мощностью, «2» - несколько большей, а «3» - еще более высокой. Ан нет, модель с окончанием на «1» действительно обладает самыми слаботочными характеристиками, но последующие модели «*2» и «*3» представляют собой один и тот же транзистор, но с разбраковкой по предельному напряжению «коллектор-эмиттер».
Транзисторы с маркировкой «*1» подходят для маломощных КЛЛ, «*3» для довольно мощных, а что использовать в схемах балластов ламп 15-20 Вт? Можно поставить «*1» и надеяться, что они не сгорят от перегрузки или теплового перегрева. Как бы «типичное» решение для «бюджетных» типов КЛЛ. Впрочем, я сразу хочу отметить – за все время тестирования ламп ни одного транзистора не сгорело, что говорит о достаточно корректно примененных типах транзисторов. Конечно, я исключаю случаи, когда балласты «погибали» умышленно и/или исключительно по моей вине.
Для ламп средней мощности нет подходящего транзистора в ряде «1300х», а потому в них устанавливают другую марку, чаще всего 6822. Его характеристики (400В, 0.8 А) находится как раз посередине между моделями «*1» (0.2 А) и «*3» (1.5 А). Если все хорошо, то зачем я затеял эту глупую дискуссию о транзисторах? Увы, причина есть. Обратите внимание на данные в строке «Предельное напряжение К-Э». Если в схеме отсутствует эмиттерное управление (а здесь «его и рядом не стояло»), то максимальное безопасное напряжение питание полумостового преобразователя определяется из приведенного параметра.
Какое напряжение в сети? 220 вольт, после выпрямления получается чуть больше 300 В. Если учесть, что стандарт на эту сеть устанавливает нормальный диапазон как +10/-15%, то максимальное напряжение в сети, которое может быть в доме, и при этом считаться абсолютно нормальным (а значит, вся аппаратура с питанием от сети обязана корректно работать на этом напряжении) составляет 242 В. После выпрямления и сглаживания переменного напряжения получается уже 242/0.7=345 В. Вернемся к таблице, смогут ли транзисторы работать при данном напряжении? Все, кроме «13002», у которого есть полное право сгореть. Итак, если подобные транзисторы установлены в лампе, то такую КЛЛ следует донести до ближайшего пункта приема переработки и оставить на недобрую память.
Я не хочу сказать, что подобные лампы не смогут работать. Если учесть тот момент, что модель «*2» получается при отбраковке «*3», как не удовлетворяющая условию «400 В», то полученные транзисторы обладают предельным напряжением «до» 400 В. А в действительности, «почти» 400 В (скажем 350-399 В). В ряде «1300х» существует только две градации – выше 400 В и ниже 400 В (но больше 300 В), а потому транзисторы с предельным напряжением в приведенном диапазоне попадают во вторую группу, хоть и обладают не столь «ужасными» характеристиками – просто при разбраковке мало позиций отбора.
реклама
Итак, могут ли транзисторы «13002» работать на напряжении 300-350 В? Наверняка смогут, но так делать нельзя. Если устройство сгорит, то вина будет лежать на изготовителе оборудования, целиком и полностью. Есть ли подобные транзисторы в тестируемых лампах? Гм, а зачем бы я тогда затеял этот разговор?…
Резонансный конденсатор
Компактные люминесцентные лампы не вечные и когда-нибудь обязательно сломаются. Из наиболее типичных поломок электронного балласта выступает пробой резонансного конденсатора. В начальный момент работы преобразователя на колбу подается очень большое напряжение и пока не последует пробой тлеющего разряда, через резонансный конденсатор перекачивается огромная реактивная мощность. Действующее напряжение и ток через него весьма большие, а мощность (произведение V*I) просто сумасшедшая, особенно для элемента столь малого размера. Поэтому к конденсатору предъявляются повышенные требования:
1. | Большое рабочее напряжение на частоте работы преобразователя. |
2. | Низкие потери на рабочей частоте (и при столь высоком напряжении). |
3. | Высокая стабильность номинальной емкости. |
Первый и второй пункт означают обязательность применения высококачественного конденсатора с низким уровнем потерь, а третий пункт - его хорошую термостабильность. Всем этим условиям удовлетворяют пленочные конденсаторы специальных серий.
Что можно использовать при ремонте? Только то, что указано выше - пленочные конденсаторы, и лучше с двойной металлизацией. Если найдена подходящая марка, то останется только выбрать удобный корпус с достаточным напряжением, ведь емкость конденсатора жестко задана другими элементами КЛЛ. Подбор конденсатора не входит в данную статью, ибо этот вопрос скорее зависит от доступной элементной базы, а завел я речь о ремонте с несколько иной целью - может можно поставить вместо пленочного конденсатора керамический? Практически в любом блоке питания стоят «Y» конденсаторы как раз подходящей емкости с высоким предельным напряжением.
В зависимости от маркировки оно может составлять:
- «Y1» - Рабочее напряжение до 250 В, выдерживают импульсное напряжение до 8 кВ.
- «Y2» - То же рабочее напряжение, 250 В, импульсное напряжение снижено до 5 кВ.
Напряжение в 5-8 кВ всяко больше 1-1.2 кВ, которые используют в резонансных конденсаторах, в чем же тогда подвох? У них высокий уровень искажений, что вызывает повышенные потери. Кроме того, фраза «выдерживают импульсное напряжение» означает однократный испытательный импульс, а не постоянно действующее напряжение. Да, один-два импульса конденсатор выдержит и не разорвется на составляющие, но не более того. Кроме того, на такие конденсаторы или вовсе не указывают тепловой коэффициент изменения емкости, или он жуткой величины. Специально не измерял, но при прикосновении руками его емкость уже ощутимо уходит, а что же будет при нагреве до тех температур, при которых свойственно работать электронному балласту?
Нет, в качестве средства ремонта «Y» конденсаторы использовать нельзя. Впрочем, ничего не мешает поставить подобный конденсатор в работающий балласт и посмотреть результаты. Некоторое количество ламп оказались с пробитыми конденсаторами, для их ремонта я использовал аналогичные конденсаторы из «убитых» ламп. Но их было слишком много и на последние балласты поставить было нечего. Пришлось попробовать идею с установкой «Y» конденсаторов. Увы, полный провал - на картинке включения сразу появились характерные всплески и срывы генерации. Картинок почему-то не сохранилось, поэтому прошу извинить и поверьте на слово – керамические конденсаторы в балласте не живут. Только «пленка».
Впрочем, перейдем от частного к общему, к исследованию электроники КЛЛ.
Через 2000 часов все оставшиеся КЛЛ были сняты со стенда и произведены замеры их характеристик. Для вышедших из строя ламп предпринимались соответствующие меры по восстановлению их работоспособности, хотя бы временной. Теперь переходим к конкретным моделям.
GamBiT
Модель RF 051 , 3U, 9 Вт 2700К (блок из трех штук).Внутреннее устройство.
Все три лампы из одного блока, а потому схемное решение не отличается. Для данного случая стоит привести только одну картинку внешнего вида, повторение не принесет ничего нового. При этом характеристики электронных компонентов будут измеряться для каждой лампы.
реклама
Как можете заметить по следам на колбе, это была первая лампа из блока.
Обычное бюджетное решение, односторонняя печатная плата. Электронная схема запуска построена по принципу автогенератора, это хорошо видно по наличию небольшого электролитического конденсатора на плате, его светлая алюминиевая верхушка бросается в глаза.
Лампа №1.
Колба болтается в креплении, сильно перекошена. С теста лампа снята с диагнозом «не включается», ток потребления 0.
Ключевые электронные компоненты:
компонента |
напряжение |
|
|
Сглаживающий конденсатор |
|
|
|
Резонансный конденсатор |
|
|
|
Резонансный дроссель |
|
|
14.29 Ом |
Дроссель фильтра питания |
|
|
|
Транзисторы |
|
|
|
Схема автогенераторная, конденсатор в нижнем транзисторе, динистор отсутствует. Причина выхода из строя – сгорели обе нити накала. Частота генерации 38 кГц (200 В) – 36 кГц (300В).
В данной схеме используются транзисторы с маркировкой «f13001», что означает модель MJE13001. В других КЛЛ могут устанавливаться транзисторы, в наименовании которых присутствуют другие буквы, а цифры окажутся такими же. Это означает применение таких же полупроводниковых приборов, только изготовленных другой фирмой. Технические характеристики у них одинаковые, поэтому – обращайте внимание на цифры и забудьте про буквы.
Впрочем, если быть точным, то следует указать – в зависимости от маркировки может меняться «цоколевка» (соответствие выводов в корпусе) и присутствовать встроенный защитный диод. Поэтому, если собираетесь ремонтировать конкретную лампу, то позаботьтесь о получении четкой информации по конкретно установленным наименованиям транзисторов. Для данной статьи это не столь важно, поэтому несущественные подробности опускаются. Да и потом, ремонтировать КЛЛ глупо – вы сами это поймете, читая статью дальше.
Довольно смешно исследовать работу электронных устройств исключительно по внешнему виду, а потому никак нельзя пройти и не посмотреть напряжения на основных элементах лампы. Самой ценной информацией служит напряжение на колбе в различных стадиях – при включении и работе при минимальном/максимальном напряжении питания. В данной статье будет подробно рассмотрен как режим включения, так и работа устройства при двух фиксированных напряжениях питания постоянного тока - 300 и 200 вольт, что соответствует максимуму и минимуму напряжения питания лампы при ее работе от нормальной сети 220 вольт.
Можно было бы взять и больший диапазон величин, только это бы вышло за рамки «нормы», а потому обнаруженные особенности не проявили бы себя при работе у конечных покупателей данной продукции. Проблема всех стресс-тестов в том, что они должны эмулировать нормальную (типичную) работу устройств, а не являться тестом сферического коня.
К сожалению, даже после попытки ремонта данная колба пришла в полное нерабочее состояние и провести измерения не представляется возможным. Извините, осциллограммы начнутся на следующей лампе.
Лампа №2.
С теста лампа снята с диагнозом «не включается», ток потребления 0.
Электроника:
компонента |
напряжение |
|
|
Сглаживающий конденсатор |
|
|
|
Резонансный конденсатор |
|
|
|
Резонансный дроссель |
|
|
13.97 Ом |
Дроссель фильтра питания |
|
|
|
Транзисторы |
|
|
|
Схема автогенераторная, конденсатор в нижнем транзисторе, динистор отсутствует. Причина выхода из строя – сгорели обе нити накала. Частота генерации 38.4 кГц (200 В) – 32.8 кГц (300В).
Процесс зажигания:
Гм, отмечается довольно долгий процесс пробоя, порядка 490 мс, затем следует непонятная стадия горения со сниженным напряжением 480 В и длительностью 50 мс, после чего лампа переходит в стационарный режим горения. Напряжение на лампе в начальной фазе 750 вольт (пиковая величина).
Стационарная работа при напряжении питания 300 В:
Напряжение в пике до 150 вольт, форма сигнала похожа на синусоиду, но присутствуют явные искажения формы – типичные признаки работы резонансного контура с низкой добротностью и частотой ниже резонанса. Ничего необычного.
Лампа №3.
С теста лампа снята с диагнозом «не включается», ток потребления 0.
Электроника:
компонента |
напряжение |
|
|
Сглаживающий конденсатор |
|
|
|
Резонансный конденсатор |
|
|
|
Резонансный дроссель |
|
|
14.02 Ом |
Дроссель фильтра питания |
|
|
|
Транзисторы |
|
|
|
Схема автогенераторная, конденсатор в нижнем транзисторе, динистор отсутствует. Причина выхода из строя – сгорели обе нити накала. Частота генерации 38.4 кГц (200 В) – 32.1 кГц (300В).
Процесс зажигания:
Никаких принципиальных отличий от предыдущей модели – те же 750 В в начальной стадии, такое же долгое ее продолжение, 550 мс. Единственно что – у предыдущей лампы существовало какое-то странное состояние после режима пробоя, а здесь его не наблюдается. Впрочем, он может и есть, только с тем же напряжением, поэтому сливается с первой фазой.
Стационарная работа при напряжении питания 300 В (слева) и 200 В (справа):
Хорошо видно, что снижение питающего напряжения приближает частоту преобразователя к резонансной, обратите внимание на улучшение формы сигнала.
Выяснение причин выхода из строя.
Это первые лампы, которые попали на вскрытие, поэтому стоит детально разобраться в истинном источнике проблемы.
Если в колбе сгорают обе нити накала, то это может быть вызвано двумя причинами – или большой ток тлеющего разряда лампы или пробой резонансного конденсатора. Вариант с естественным старением накала из-за стресса от включения я пока опускаю, из анализа электроники его проверить невозможно.
Повторю схему блока лампы, посмотрите на рисунок еще раз.
Если резонансный конденсатор пробивается или налицо высокий коэффициент искажений на высокой частоте, то это приводит к слишком большому току накала и он сгорает. Последнее подразумевает необходимость проведения тщательной проверки характеристик резонансного конденсатора.
Измерение характеристик резонансного конденсатора.
В данной модели применен «типичный» конденсатор, используемый в электронных балластах люминесцентных ламп. Именно такой конденсатор чаще всего встречается в КЛЛ, а потому будет интересно узнать, не он ли является причиной перегорания обеих нитей накала.
Измерение емкости не показало существенных отличий от номинального значения 2.2 нФ:
лампы |
емкость, нФ |
|
|
|
|
|
|
Что ж, можно выбрать один из них и провести стресс-тест. Возьмем конденсатор от первой лампы, у него оказалась самая «аномальная» емкость.
Для начала его характеристики в нормальных условиях:
- Емкость 2.053 нФ;
- Тангенс угла потерь 0.0035;
- Сопротивление изоляции (1000 В) > 5 ГОм.
Конденсатор в КЛЛ работает на повышенной температуре, потому измерение характеристик при комнатной температуре не отражает реальное положение дел. Повысим температуру до 100 градусов и выдержим его при этих условиях достаточно длительное время. Данные, полученные через 10 минут:
- Емкость 2.255 нФ;
- Тангенс угла потерь 0.0174;
- Сопротивление изоляции (1000 В) 450 МОм.
С учетом того, что температура корпуса конденсатора была явно завышена, в его характеристиках нельзя найти что-то необычное. Впрочем, можно взять резонансный конденсатор с аналогичными параметрами из КЛЛ «Космос» для сравнения:
Нормальная температура (примерно 23 градуса):
- Емкость 2.27 нФ;
- Тангенс угла потерь 0.0024;
- Сопротивление изоляции (1000 В) > 5 ГОм.
100 градусов:
- Емкость 2.424 нФ;
- Тангенс угла потерь 0.0110;
- Сопротивление изоляции (1000 В) 2 ГОм.
Наблюдаются существенные отличия только в сопротивлении утечки, но их величина столь мала, что не является сколь-нибудь значимой. Нет, лампа вышла из строя не из-за него. Или я что-то упустил в измерениях.
Переходим к следующему кандидату на источник проблемы.
Измерение характеристик резонансного дросселя.
Раздел будет очень коротким, здесь много параметров не померишь, ведь основным является «максимальный ток».
Прибора, который может измерять характеристики индуктивностей на столь большом токе, у меня нет и для измерения предельного тока был применен косвенный способ – на индуктивность подается смесь небольшого переменного напряжения высокой частоты и регулируемый ток. При увеличении тока выше пороговой величины индуктивность дросселя начинает уменьшаться, что вызывает снижение величины переменного напряжения на нем.
Возьмем резонансный дроссель первой лампы, его характеристики:
- Индуктивность 9.323 мГн;
- Внутреннее сопротивление 13.97 Ом.
Измерение по вышеприведенной методике показало, что при токе в 0.3 ампера следует снижение напряжения, то есть максимальный ток дросселя 0.3 А.
Для лампы в 9 Вт при рабочем напряжении на колбе в 90 вольт рабочая величина тока составит 9/90=0.1 ампера. С учетом того, что данная цифра относится к средней величине тока, а необходимо именно пиковое значение, то его следует умножить на 1.4. То есть, пиковый ток дросселя будет в районе 0.2 А (к потреблению колбы следует добавить ток резонансного конденсатора). Полученная цифра явно меньше максимального тока дросселя (0.3 А), хоть и без запаса. Впрочем, ожидать установку компонентов с большим запасом прочности в бюджетные лампы было бы весьма самонадеянно.
Итак, дроссель тоже не является причиной выхода лампы из строя.
Продолжаем поиски причины.
Первая лампа была с обеими сгоревшими нитями накала, поэтому существовал только один способ ее запуска – с попарно закороченными выводами накала. Первый запуск показал неустойчивое горение, скачкообразно меняющееся от яркого до тусклого свечения. Особенность – мощность потребления экземпляра доходила до 12.5 Вт, что почти в два раза больше обычного потребления продукта, снятого на новой лампе.
Через небольшое время лампа сгорела (вышли из строя силовые транзисторы) и какие-либо данные снять не удалось. В дальнейшем последовали попытки установления истинной причины повышенного потребления и самого сгорания, но что-то определенное найти не удалось. После чего колба была пересажена на заведомо исправный балласт от другой КЛЛ примерно такой же мощности (Космос, 13 Вт) и эффект был достигнут – лампа начала точно так же «моргать»! Причем, совершенно четко отмечалось, что при изменении яркости свечения иногда менялся и цвет. Даже больше, если установить сильно пониженное напряжение питания, то лампа светила нормальным «желтым» цветом, свойственным ее цветовой температуре 2700 К, без характерного ей фиолетового оттенка.
При попытке снять фото для получения спектра балласт сгорел. Повторный поиск исправного балласта из бывшей в наличии кучки «трупиков» выявил пару чудом сохранившихся транзисторов и пострадавшая схема была восстановлена. Увы, последующее включение повторило моргание лампы с дополнением в виде стройного столбика дыма из свежеустановленных транзисторов. Ну уж нет, хватит! Транзисторы не сгорели (вот ведь бывает), но возиться с этой колбой я больше не стал. Думаю, что причина именно в ней, а в чем именно – об этом поговорим попозже, предстоит еще разборка других ламп.
Краткий вывод – проблема в колбе, ремонт данной КЛЛ бессмысленен.
Переходим к следующей лампе.
реклама
Страницы материала
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила