Udělej si sám

Zářivkami se zabývám už skoro 15 let. Za tuto dobu jsem vyzkoušel docela hodně zapojení, spínačů, předřadníků a vlastně zářivek a nashromáždil nějaké zkušenosti (mimochodem, první uraz el. proudem jsem dostal také od zářivkové svítilny). A proto, když vznikla potřeba vyrobit 15 předřadníků pro 15 svítilen se dvěma zářivkami každá, bez váhání jsem se vydal prověřenou cestou, a to použitím obvodu IR2153.

Proč, vlastně, prehistorická IR2153? V podstatě, protože mam s ní velice dobré a, řekl bych "příjemné" zkušenosti. Jednoduché neřízené měniče kvůli nestabilitě parametrů a nespolehlivosti jsem odmítl rovnou, a co se tyká novějších obvodů, jako jedinou alternativu bych viděl IR2520, která je právě pro tyto účely určena; tu ovšem není moc jednoduché sehnat a je dražší. Možná se zeptáte, copak IR2153 není učená pro zářivkové předřadníky? Ano, je pravda, že se na její základě předřadníky staví asi tak 10 let, ale když se podíváte do datasheetu, nenajdete o tom naprosto žádnou zmínku. Jen to, že je to "Half-bridge driver". Osobně se mi zda, že kdysi někoho napadlo využit tento obvod (možná ne tenhle přímo, možná třeba IR2151, IR2152 atd.) pro zářivkové předřadníky, on to zkusil, podařilo se mu a nedřímající IRF se toho jenom včas chytli.

Není to ale tak důležité. Uděláme zkušební desku a ověříme zapojení a layout:

První věc, na co se mě všichni začali ptat, je: na co tam je ten Q1? Ano, v 99% zářivek a spínaných zdrojů tam stoji odpor, hlavním úkolem kterého je tlumení nárazového proudu, vznikajícího v okamžik zapnutí měniče, kdy filtrační kondenzátor je vybitý. Výhody takového řešení jsou jednoduchost a nízká cena. Ovšem, při výkonech nad 20…40W a kapacitě kondíku nad 22…47µF narážíme na problém: když ten odpor bude velký (dejme tomu nad 10 Ohmů) pak bude topit, když malý – nebude dostatečně tlumit špičky proudu.

V podstatě, v případě jedné svítilny já bych to také pohřešil jedním odporem (0,1…0,3R), ale tentokrát mam jich 15! A 15×68µF=1020 µF, žádný běžný vypínač v takovém režimu dlouho nevydrží, co?

Použité zapojení s tranzistorem Q1 nám zajišťuje naprosto mizerný (skoro nulový) proud spínání a pak poměrně pomalý (desítky-stovky milisekund) jeho narůst.

Jinak, je to standardní zapojeni. Namísto Q1 zatím dáme propojku a přesvědčíme se náš "bastl" funguje:

U mě to začalo fungovat ihned, ale jen protože jsem měl správnou tlumivku. Ve většině případů je potřeba ji vyladit. Já bych doporučil navinout závitů o 50% vice napočítané hodnoty a pak vkládáním nemagnetického materiálu do jádra (nebo roztahováním jádra) najit takovou mezeru, kdy zářivka bude spolehlivě startovat za studena. Samozřejmě, na začátku tato mezera bude větší, klidné i několik milimetrů, je to v pořádku. Pak můžeme odmotat třeba 10 závitů a zase najit vhodnou mezeru, která tentokrát bude o něco menší. Pro 36(40)W zářivky já bych doporučoval jádro E25 i přestože E20 by stačilo. Jedna se o to, že u E20 bychom museli nechat vetší (cca 1mm) mezeru a, tím pádem, navinout ne 94, ale 180 závitů, což by způsobilo větší ztráty a zahříváni tlumivky. V podstatě, podle IRF, při použiti jádra E20 a drátu 0,3mm maximální teplota by nemela překročit 100 stupňů, ale mi se to nějak nelíbilo. Tlumivka na E25 jádře s drátem 0,35mm je skoro studena, což stoji za to.

Ještě jedna velice dobrá možnost správného nastaveni mezery jádra – pomoci měřiče spotřeby (já jsem používal Voltcraft Energy Logger 3500 CZ). Když připustíme, že spotřeba vlastně předřadníku je 3…5W, pak spotřeba celé svítilny se dvěma 36W zářivkami bude činit kolem 75W.

Takže, po nalezeni optimální mezery jádro zpevníme a jdeme dál. Odstraníme obvod R8C8 (viz schéma dole), vyzkratujeme hradlové odpory a zapneme na půlhoďky. Tímto způsobem ověříme layout a vlastně driver.

Nebude špatně otestovat předřadník s hlediska tepelného režimu: svítilna bude pod plastovým krytem, žádný průtok vzduchu tam není. Já jsem přikryl plně zatížený předřadník pokličkou od mikrovlnné trouby a nechal běžet par hodin.

Pokud po všech trápeních pojistka nehoří, nic netopí, soft-start na Q1 funguje správně, můžeme nakreslit finální schéma:

Par slov o součástkách. Pro dvě 36(40)-wattové zářivky použijeme tranzistory IRF840A nebo STP9NK50Z. Běžné IRF840 bych nedoporučoval kvůli většímu náboji hradla a menši rychlosti (a, tím pádem, větším dynamickým ztrátám). Pro lepší spolehlivost tranzistory dáme na chladiče. Dioda D3 by měla byt co nejrychlejší na 400V 1A; použita MUR160 má 50ns. Pokud použijete IR2153D, ona tuto diodu už má v sobě. R3 – s menším teplotním driftem. C6 – foliový, nebo NP0. C9 může byt i menší kapacity, jenom na něm bude větší úbytek napěti, měl by byt foliový. C8 chrání tranzistory před rychlou změnou napěti odtok-přítok (v datasheetu – dV/dt), také foliový. C10 a C11 – výhradně foliové. Ano, vím, že keramické jsou několikanásobně levnější, ale kvůli piezokeramickému efektu jsou v této aplikaci náchylné k sebedestrukci, čemuž jsem několikrát byl svědkem. R4 a R5 zvolíme tak, aby napěti na pinu 1 U1 bylo mezi 14,5 a 15,6V. C3 – nízkoimpedanční. L1, v podstatě, na dvě věci. Ano, kvůli odrušení by mela byt, ale několikanásobně vetší. A těchto jsem mel 20 kusů, tak je tam dal; určitě se tím nic nepokazí. Tlumivky L2 a L3 – 94 závitů drátem 0,35mm na E-jádře o rozměru E25/13/7 (EF25) z materiálu 3C85 (N27), připadne 3C90. Jádro má mezeru 0,3mm. L1 může byt vynechaná, ale, jak jsem zmiňoval, když už mam jich hafo, tak proč ne. D2 chrání hradlo Q1 proti přepěti, muže byt na 10…15V. R1, C1 a R2 určuji prodlevu startu. Z bezpečnostních důvodů R2 doporučuji v DIP-pouzdře.

POZOR: Nepoužívejte výšeuvedený soft-start pro neřízené samooscilující předřadníky: můžete hned odpálit spirále zářivky.

Poslední materiál – deska. Bude jednostranná, 2mm silná, tloušťka mědi 70µm (2oz). Předřadník bude možné použit i v svítilně s jednou zářivkou: stačí odlomit kus desky s rezonančním obvodem pro druhou zářivku.

Posíláme Gerber-data do Činy a objednáváme součástky. Téměř všecko je z GESu. Tlumivky – na objednávku od elvicz.com. Jenom svorkovnice, Wago236-konektory (byli v akci) a chladiče jsou z GM.

Zatímco součástky postupně dorážejí, upravíme chladiče a přes teplovodivou pastu namontujeme tranzistory (jenom Q2 a Q3).

Ano, je to drbačka.

Zapájíme všechny součástky:

A spodní strana:

A teď to nejzajímavější – první zapnuti! V podstatě, zapojeni je odladěné, takže pokud montáž byla provedená bez chyb a součástky jsou v pořádku, předřadník by se měl rozběhnout.

Zbývá pořešit uchyceni. Pro tyto účely použijeme samořezné 3×20mm vruty a 7mm distance. Předřadníky se budou montovat přímo na plech původních svítilen.

První 2 předřadníky jsem zkušebně namontoval před několika měsíci. Doposud funguji tak jak mají, což by mohlo znamenat, že v testu za reálných podmínek uspěli. Hůra na zbytek:

Pozor! Celý obvod je galvanicky spojen se sítí! Nebezpeči úrazu elektrickým proudem! Nikdy neprovádějte žádné úpravy předřadníku, který neni odpojený od sitě!