 Озаботившись экономией электроэнергии, покупатели всё чаще обращают внимание на светодиодные источники света. Однако значительную долю рынка энергосберегающих ламп уже успели завоевать компактные люминесцентные лампы, производители которых убеждены: эти лампы будут светить ещё многие годы. Их долголетие — как рыночного сегмента, так и каждой лампы в отдельности — должна обеспечить современная микроэлектроника.
На первый взгляд среди энергосберегающих ламп наиболее перспективными кажутся светодиодные. Поэтому энергосберегающие лампы другого типа — компактные люминесцентные (КЛЛ или CFL — compact fluorescent lamp) — оказались как бы на втором месте. На то есть причины.
Во-первых, компактные люминесцентные лампы проигрывают светодиодным по светоотдаче и сроку службы. Светоотдача у них в пять раз выше, чем у ламп накаливания, в то время как у светодиодных ламп — в семь раз. Типовой декларируемый срок службы КЛЛ —десять тысяч часов непрерывной работы, а светодиодных ламп — тридцать тысяч часов.
Во-вторых, КЛЛ содержат некоторое количество ртути, что создаёт проблемы с их утилизацией. Значит ли это, что на компактных люминесцентных лампах пора ставить крест?
Давайте разберёмся. Во всём мире в год производится более 2,5 миллиарда ламп, из них 2 миллиарда — лампы накаливания, а остальные в основном люминесцентные. Доля светодиодных ламп очень маленькая. Так, на передовом японском рынке в настоящее время в год продаётся примерно 100 миллионов КЛЛ и только около двух миллионов светодиодных ламп. И соотношение в пользу КЛЛ сильно не изменится ни в 2011-м, ни в 2012 году.
Распространение светодиодных ламп идёт медленно, прежде всего, из-за их высокой цены (минимальная цена такой лампы сегодня на том же японском рынке равна примерно 20 долларам, что в три раза дороже компактной люминесцентной лампы). Компактная люминесцентная лампа выигрывает по востребованности на потребительском рынке за счёт низкой цены при приемлемых характеристиках. Для улучшения характеристик современных КЛЛ производители совершенствуют электронную составляющую лампы, что позволяет повысить её долговечность и эффективность. Решается вопрос и дальнейшего
удешевления лампы.
Интеллект компактной люминисцентной лампы
Схема управления КЛЛ решает три основные задачи — управление режимами работы лампы, обеспечение защитных и сервисных функций. Люминесцентная лампа требует строгого соблюдения режимов работы, в противном случае она быстро выходит из строя. Срок службы лампы зачастую оказывается значительно ниже заявленного производителем. И причина здесь кроется не только в использовании производителем ненадёжных комплектующих, но и в сложности реализации таких режимов работы лампы, которые обеспечат длительный срок её эксплуатации. Например, электроды накала люминесцентной трубки быстро разрушаются, если их не прогреть перед зажиганием лампы. Необходимо точно задать время прогрева, которое зависит от конструкции люминесцентной трубки. Требуемые режимы работы компактной люминесцентной лампы задаёт блок электронного управления, который также называют электронным балластом или электронным пускорегулирующим аппаратом.
Компоненты компактной люминесцентной лампы.
Между цоколем лампы и трубкой виден электронный балласт.
Электронный балласт прогревает электроды накала, запускает тлеющий разряд в люминесцентной трубке и поддерживает его в режиме нормальной работы лампы. Не менее важная задача блока электронного управления — обеспечение безопасной работы лампы. Блок выполняет различные защитные функции, обнаруживая повреждение или неисправность лампы, завершение срока её жизни и отсутствие трубки. В этих случаях автоматически блокируется режим запуска тлеющего разряда из-за возможного воспламенения лампы. Лампа также защищена от бросков сетевого напряжения и от перегрева. К основной сервисной функции можно отнести возможность дистанционного включения и выключения лампы без традиционного выключателя.
Электронный пускорегулирующий аппарат простейших ламп строится на дискретных (раздельных) компонентах: транзисторах, резисторах, конденсаторах, катушках индуктивности. Однако в этом случае задать оптимальные режимы и обеспечить безопасность работы лампы проблематично. Для решения всего комплекса задач необходимо более сложное устройство. И на помощь здесь приходит микроэлектроника.
Электрическая схема электронного балласта кроме контроллера и выпрямляющего диодного моста содержит дроссель и ряд конденсаторов.
Достоинства микроэлектроники
Микроэлектроника позволяет все основные функции блока управления лампы реализовать в одной полупроводниковой микросхеме. Как и в светодиодных лампах, эта микросхема называется контроллером. Контроллер измеряет протекающие в лампе токи, управляет частотой и длительностью импульсов напряжения, формирует временную диаграмму работы лампы. В каждом из трёх основных интервалов временнoй диаграммы — прогреве электродов накала, зажигании и работе в штатном режиме — частота и напряжение электрических импульсов, подаваемых на трубку, различны.
Рассмотрим, какие преимущества даёт использование контроллера в качестве электронного балласта КЛЛ.
Контроллер может выполнять много функций, обеспечивая чёткую работу лампы как в нормальных условиях, так и в нештатных ситуациях. И это возможно благодаря большому количеству полупроводниковых элементов на кристалле за счёт высокой степени интеграции. В схеме контроллера можно использовать десятки тысяч транзисторов.
Контроллер КЛЛ относится к классу цифроаналоговых схем, то есть наряду с цифровыми логическими схемами, формирующими алгоритмы работы лампы, в контроллере имеются схемы обработки аналоговых, непрерывно меняющихся сигналов. Аналоговые сигналы снимаются с датчиков температуры, тока и напряжения, также встроенных в кристалл контроллера. Точная обработка таких сигналов, например сравнение с эталонными значениями, в микросхеме возможна с использованием специальных методов, которые недоступны в схеме на дискретных компонентах.
Современные решения позволяют не только обрабатывать на кристалле низковольтные сигналы, но и коммутировать высоковольтные сигналы большой мощности, подключая их к клеммам люминесцентной трубки. С этой целью используются силовые транзисторы, которые также встраиваются в кристалл контроллера.
Высоковольтная кремниевая технология.
На схеме: поперечное сечение кремниевой пластины. На ней располагается несколько тысяч кристаллов. Создание подобной технологии — задача для профессионала высокого класса: технологический маршрут может включать более 100 процессов, кроме того, требуется получить необходимые характеристики приборов (например, в электронном балласте силовые транзисторы должны выдерживать напряжение не менее 500 вольт и иметь в открытом состоянии сопротивление всего в несколько ом). На иллюстрации видно, что высоковольтные транзисторы располагаются в специальном кармане, который отделён от низковольтных транзисторов и сенсорных элементов. Силовые транзисторы размещены с края кристалла.
Конечно, чтобы использовать все перечисленные блоки: цифровые, аналоговые, сенсоры и силовые приборы, — необходимо изготавливать кристаллы по специальной технологии. Технология сложная, но её сложность обусловлена не дорогостоящим высокоточным оборудованием, обеспечивающим минимальные проектные нормы, а сложностью технологического маршрута. Другими словами, не требуется технология нанометрового уровня, достаточно и технологии микронного уровня, высокие характеристики которой основаны на передовых инженерных решениях.
Возникает вопрос, не увеличит ли подобная интеграция стоимость микросхемы контроллера и соответственно лампы? Ответ — нет. Потому что стоимость кристаллов зависит не столько от сложности технологического маршрута, сколько в основном от площади кристалла и уровня технологии. Технология микронного уровня достаточно дёшева, даже при условии размещения на кристалле разнообразных типов приборов.
Всё российское, или что мы можем противопоставить китайскому подходу
В России планируется строительство нескольких заводов по производству компактных люминесцентных ламп. Подписан контракт с китайской компанией о строительстве завода в Кировской области, планируется построить предприятия в Костромской и Белгородской областях. Но будут ли наши лампы лучше и дешевле китайских? Будут ли они востребованы?
В конкурентной борьбе за достойное место на развивающемся рынке энергосберегающих ламп производители компактных люминесцентных ламп делают ставку в первую очередь на уменьшение их стоимости.
А что мы можем предложить? Интеллект российских учёных плюс российские технологии. И вполне достаточно тех технологий, которые применяются на российских предприятиях. А дальше включаются в работу российские схемотехники, имеющие опыт проектирования подобных изделий. Разработчик знает, как спроектировать контроллер, чтобы он гарантировал долгий срок службы, эффективность и безопасность работы лампы и при этом был гибок в применении, надёжен в эксплуатации и дёшев. Это — инженерная задача. Сильных инженерных команд у нас достаточно.
Есть и примеры. ОАО Ангстрем планирует выпуск контроллеров КЛЛ разработки ЗАО Дизайн центр "Союз”. Применение данных контроллеров позволит значительно увеличить срок службы ламп и повысить безопасность их эксплуатации. Есть уверенность, что компактные люминесцентные лампы, произведённые в России на российской элементной базе, долго останутся на рынке в качестве основных массовых энергосберегающих ламп, так как по основным параметрам сопоставимы со светодиодными лампами, но имеют при этом более низкую стоимость.
Принципы управления люминисцентной лампой
Чтобы лучше понять, как управляется КЛЛ, разберёмся, что собой представляют балласт лампы, временнaя диаграмма её работы.
Балласт классической лампы дневного света
Тлеющий разряд в люминесцентной трубке классической лампы дневного света зажигается и поддерживается с помощью балласта, состоящего из массивного дросселя и стaртера. Задача стaртера — обеспечить разогрев электродов накала перед зажиганием лампы и зажечь лампу. Зажигание происходит за счёт резонансного броска напряжения после размыкания ключа стaртера. Величина броска достаточна для зажигания разряда в трубке. Зажигание характеризуется резким падением сопротивления газового промежутка лампы. Весь ток теперь протекает через лампу, и его величина ограничивается дросселем.
ВременнАя диаграмма работы компактной люминесцентной лампы
Контроллер современной КЛЛ формирует временнУю диаграмму её работы, которая отличается от диаграммы классической лампы дневного света. В КЛЛ временнАя диаграмма состоит из нескольких этапов. После включения лампы происходит нагрев электродов накала люминесцентной трубки высоковольтными импульсами большой частоты. Для различных типов ламп требуется разное время прогрева электродов, которое задаётся контроллером.
После прогрева контроллер начинает снижать частоту, и в определённый момент времени резонансный контур, образованный дросселем и конденсатором, входит в резонанс. Напряжение на трубке резко повышается и зажигает тлеющий разряд. Дальнейшее уменьшение частоты и выход из резонанса приводят к уменьшению прикладываемого к трубке напряжения до величины, достаточной для поддержания тлеющего разряда. Лампа переходит в стабильный рабочий режим.
Частота резонанса выбирается на уровне десятков или даже сотен килогерц, что позволяет применять миниатюрные дроссели. Кстати, использование высокой частоты решает ещё одну проблему старых люминесцентных ламп — исчезает заметное для глаза мерцание света с сетевой частотой. Раскачивают схему для получения импульсов высокого напряжения мощные высоковольтные транзисторы, которые попеременно подключают цепи резонансного контура то к нулевому, то к высокому напряжению. Такие транзисторы — драйверы — в современных контроллерах встроены в саму микросхему.
Диаграмма работы электронного балласта:
внизу — изменение частоты сигнала от времени;
вверху — изменение напряжения на трубке от частоты
(А — включение лампы; В — режим нормальной работы лампы).
Автор: Кандидат технических наук Виктор Эннс | 
Поддержать проект
