Мой генератор высокого напряжения из инвертора CCFL лампы

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

Популярные лампы подсветки, подключаемые к USB-порту компьютера,

содержат в себе два основных элемента:

 - CCFL лампа;

 - инвертор (CCFL ballast).

CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) лампа - это лампа с холодным катодом, тонкая (2...4 мм) стеклянная трубка, заполненная инертными газами (неон, аргон) с небольшой примесью ртути. Разряд в парах ртути внутри трубки лампы создает ультрафиолетовое излучение, которое заставляет светиться люминофор, нанесенный на внутреннюю поверхность трубки, причем рабочая температура трубки лампы составляет около 40°С. Такая лампа имеет характеристику с "отрицательным сопротивлением" - напряжение зажигания (обычно около 1000 вольт) значительно больше рабочего напряжения (обычно 300...500 вольт). Для питания лампы целесообразно использовать синусоидальное напряжение частотой 20...100 килогерц.
Холодный катод также используется и в неоновых лампах, в которых электрический разряд возбуждает молекулы газа, заставляя их излучать видимый свет.

Следует отметить, что многие особенности CCFL ламп свойственны и лампам с горячим катодом ("hot" cathode fluorescent lamps, HCFL). Примером HCFL ламп являются компактные люминесцентные лампы (КЛЛ, compact fluorescent lamp, CFL) -

Главным отличием этих ламп присутствие в них нитей накала на каждом конце лампы -
выводы нитей накала

Перед запуском лампы эти нити нагреваются (отсюда и произошло название "лампы с горячим катодом") и излучают электроны, что снижает напряжение, требуемое для зажигания лампы. После запуска лампы питание с нитей накала можно снять.

схема питания HCFL лампы

Рассматриваемые ниже источники питания для CCFL ламп могут использоваться и для HCFL ламп, используя выводы нитей накала так, как будто это электроды CCFL лампы.

В книжке The Art and Science of Analog Circuit Design  - J. Williams (1998) утверждается, что CCFL лампы являются наиболее эффективным средством преобразования электрической энергии в световую.

Инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения 5 или 12 вольт в переменное напряжение величиной 500...1500 вольт и частотой 30...80 килогерц.

CCFL лампы широко применяются в различных электронных устройствах (ЖК-мониторах и телевизорах, сканерах, факсах...), но также в этих аппаратах используется и LED технология (светодиоды).
Примеры инверторов -
сканер с CCFL лампой и инвертором (выделен желтым) -

инвертор для CCFL лампы сканера -

CCFL инверторы монитора Dell E172FPB -

Схема CCFL инвертора чаще всего представляет собой генератор Ройера (Royer oscillator), изобретенный в 1954 году George H. Royer (патент US 2783384 A "Electrical inverter circuits"). Он описан в статье Royer, GH, "A switching transistor DC-to-AC converter having an output frequency proportional to
the DC input voltage," AIEE Transactions on Communication and Electronics, Volume 74, July 1955, pg 322 to 326.
 

концептуальная схема классического конвертора Ройера

Недостатком этой схемы является прямоугольная форма выходного напряжения. Этот недостаток устранен в модифицированной резонансной схеме генератора Ройера.

модифицированная схема резонансного конвертера Ройера

или

Генератор Ройера содержит трансформатор с первичной обмотокой с выводом от середины (center tapped primary winding) (число витков w1+w2) и обмоткой обратной связи (feedback winding) (число витков w3). Также на трансформаторе может быть вторичная обмотка (secondary winding), с которой снимается выходное напряжение.
Две половины первичной обмотки подключаются к источнику питания через два транзистора Q1 и Q2, включенные по схеме "push-pull". Транзисторы включаются поочередно, меняя направление тока в половинких первичной обмотки. Напряжение с обмотки положительной обратной связи подается на базы транзисторов, вызывая генерацию.
Отличие CCFL инвертора от классического генератора Ройера заключается в наличии конденсатора C1, включенного параллельно первичной обмотке, и создающего вместе с ней резонансный контур. Благодаря этому генератор вырабатывает на вторичной обмотке синусоидальное напряжение. Частота генерации определяется параметрами трансформатора, емкостью конденсатора C1 и параметрами нагрузки. Тот факт, что этот генератор вырабатывает синусоидальное напряжение, определяет широкое применение такой схемы для питания CCFL ламп. Дело в том, что световая отдача таких ламп уменьшается при наличии высших гармоник в питающем напряжении, а резонансный генератор Ройера (resonant Royer) вырабатывает именно синусоидальное напряжение. Полное название такого генератора - "current-fed push-pull parallel-resonant inverter".

Исследованиями таких инверторов занимается Jim Williams из Linear Technology Corp. -

Вот предлагаемая им схема инвертора:

Подробно работа таких генераторов описана в его книжке The Art and Science of Analog Circuit Design  - J. Williams (1998) -

Детали инвертора:

транзисторы Q1 и Q2 -
наиболее популярный вариант - транзисторы 2SC5707 (в инверторах мониторов) -
V_{CE SAT} = 0,24 вольта, V_{CE MAX} = 80 вольт, I_{C DC} = 8 ампер с h_{FE MIN} = 200 и f_T = 330 мегагерц

транзисторы 2SC1983 (в схеме с сайта ludens.cl) -
составной n-p-n транзистор, V_{CE MAX} = 60 вольт, I_{C DC} = 3 ампера с h_{FE MIN} = 700

транзисторы 2SC3279(M) (в использованном мной для экспериментов инверторе для лампы подсветки компьютера) -
n-p-n транзистор в корпусе TO-92 с высоким коэффициентом передачи по току и низким напряжением насыщения, V_{CE MAX} = 10 вольт, I_{C DC} = 2 ампера с h_{FE MIN} = 200

транзисторы 2SD1627  в SMD-исполнении -
n-p-n транзистор, V_{CE MAX} = 25 вольт, I_{C DC} = 2 ампера с h_{FE MIN} = 3000!!!

трансфоматор -
пример трансформатор - XFORM INVERT 9.5uH EE19
описание трансформатора типа EE19 -

Примеры кол-ва витков:
w1 = w2 = 7, w3 = 2, вторичная обмотка - 142 витка.

дроссель L1 -
важный элемент схемы,
индуктивность  ~330 мкГн с допустимым током до 1 ампера;
в моем инвертере дроссель представлял собой обмотку из 60 витков медного провода диаметром 0,2 мм, намотанную на гантелевидном сердечнике

резистор R1 -
сопротивление 1...2,7 кОм (в моем инвертере 1,5 кОм (коричневая-зеленая-красная-серая полоски).

конденсатор C1 -
желательно полипропиленовый (MKP) (выдерживают большие токи)   с емкостью не менее 10 нанофарад на напряжение несколько сотен вольт
примеры MKP конденсаторов на 27 и 330 нанофарад:

При увеличении емкости конденсатора резонансная частота схемы уменьшается, например, при емкости 1...2 микрофарада частота генерации смещается в звуковой диапазон.

При правильной работе схемы на коллекторах транзисторов действует однополупериодно выпрямленное синусоидальное напряжение.

Основным ограничивающим фактором в схеме является величина напряжения на коллекторах транзисторов, которое может достигать 60 вольт при питании напряжением 24 вольта.
В инверторе для CCFL лампы последовательно с нагрузкой (CCFL лампой) включен балластный конденсатор (в моем инвертере 22 пФ x 3000 вольт, другой вариант - 4,7 нанофарада x 1500 вольт). Изменяя его емкость, можно регулировать потребляемый нагрузкой ток.
Также на входе инвертора можно включить электролитический конденсатор, например, 22 микрофарада на 25 вольт.

В проекте Hodoscope используется следующая схема для питания счетчиков Гейгера:

В устройстве используется микросхема LM2575T-Adj - импульсный понижающий стабилизатор напряжения постоянного тока с регулируемым выходным напряжением Частота преобразования (52 кГц) определяется встроенным генератором. Микросхема работоспособна при входном напряжении до 40 В. интервал регулировки выходного напряжения — 1.2 ... 35 В при токе нагрузки до 1 А. Минимальная разность между входным и выходным напряжениями — около 2 В Имеется встроенная защита от превышения температуры, короткого замыкания в цепи нагрузки и перегрузки по току.
Распиновка выводов микросхемы:
1 - входное напряжение (V_IN)
2 - выход (OUTPUT) - вывод эмиттера внутреннего ключа
3 - земля (GND)
4 - вход обратной связи (FEEDBACK)
5 - вход сигнала включения (заземлен = 0 ... 1,4 вольта)/отключения (1,4 вольта ... напряжение питания) (ON/OFF)
Опорное напряжение V_ref составляет 1,23 вольта.

Полезные ссылки:
Manfred Mornhinweg: - сайт ludens.cl (различные схемы питания флуоресцентных ламп)

сайт danyk.cz (описание CCFL инвертора)

МОИ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Я использовал инвертор от вышедшей из строя лампы подсветки для компьютера Gembird NL-2 Notebook USB CCFL lamp (CCFL лампа перестала светить).
вид сверху

вид снизу

В этом инверторе добавлены кнопки и реле, включенные по схеме самоблокировки -
они обеспечивают включение лампы при нажатии на одну кнопку и выключение лампы при нажатии на другую;
монтажная схема реле HRS2H-S с обмоткой сопротивлением ~ 70 Ом, рассчитанной на 5 вольт -

схема включения кнопок и реле -

При нажатии на кнопку SW2 ее контакт замыкается и питание подается на обиотку реле K, которое замыкает контакт K1, шунтирующий кнопку SW2. Питание подается на инвертер. При нажатии на кнопку SW1 ее контакт размыкается, реле K обесточивается и контакт K1 размыкается. Инвертер отключается от источника питания.
Обмотка реле имеет сопротивление всего лишь 75 Ом, что приводит к большому потреблению тока обмоткой - 80 миллиампер при питании 6 вольт. Поэтому я отключил реле, подключив питание напрямую к схеме инвертора.
На выходе вторичной обмотки трансформатора вырабатывается высокое напряжение частотой десятки килогерц.
Это напряжение можно подать на однополупериодный выпрямитель, состоящий из диода, конденсатора и цепочки резисторов нагрузки.
Я использовал диод UF5406, рассчитанный на максимальное обратное напряжение 600 вольт и имеющий время восстановления всего лишь 75 наносекунд (пригодный для работы в высокочастотных цепях). Серая полоска на корпусе диода помечает катод.

Конденсатор - электролитический конденсатор CD11G-L07 из электронного балласта компактной люминесецентной лампы 4,7 мкФ x 400 вольт.
Ток утечки такого конденсатора определяется выражением 0,06 * C * V  + 10 (в микроамперах), т.е. для этого случая 0,06 * 4,7 * 400 + 10 = 123 микроампера, т.е. довольно заметная величина.В результате эксперимента при повышенном до семи-восьми вольт напряжении питания транзисторы сильно грелись и в итоге вышли из строя (пробой между коллектором и эмиттером). Я выпаял транзисторы и сделал отводы (красный - коллектор, синий - эмиттер, зеленый - база) от платы для удобства их замены. Также я выпаял задающий конденсатор и сделал отводы (коричневый-белый) для удобства подбора его емкости. В моем инвертере задающий конденсатор был пленочный 60 нФ x 250 вольт.
Я поставил популярные транзисторы BC547B -

Частота генерации составила около 140 кГц. Напряжение между коллектором и эмиттером каждого и транзисторов представляло половинки синусоид -

напряжение между коллекторами - синусоиду -

Для получения постоянного напряжения я подключил к выходу инвертера четырехступенчатый умножитель -

На выходе умножителя я подключил пленочный конденсатор емкостью 100 нанофарад на напряжение 630 вольт.
При подключении мощного блока питания с выходным напряжением 9 вольт, мне удалось получить на нагрузке умножителя из двух включенных последовательно резисторов сопротивлением 4,7 мегаома каждый напряжение составило около 600 вольт. При этом транзисторы BC547B заметно грелись.
Одним из дальнейших вариантов улучшения работы генератора является использование составных транзисторов 2SC5707:

Регулировка выходного напряжения
Для возможности управления выходным напряжением требуется наличие возможности отключения инвертера от источника питания. Это может быть выполнено по стандартной схеме с использованием pnp-транзистора. pnp-транзистор позволяет иметь общую "землю" (common ground) для высоковольтной и низковольтной части схемы.
Для оценки возможности использования различных транзисторов в этой схеме я собрал модель в симуляторе LTspice -

Файл модели - CCFL_PNP.asc.
Во всех случаях напряжение на нагрузке (резисторе R1) при отключенном резисторе R3 составляло менее одного нановольта ("pull-up" резистор R2 подтягивает базу к "плюсу" питания). Но при включенном резисторе значения напряжения заметно отличались в зависимости от напряжения насыщения между коллектором и эмиттером у того или иного транзистора.

Применение генератора высокого напряжения
Я использовал описанный высоковольтный генератор совместно с умножителем и схемой регулировки выходного напряжения в самодельном дозиметре.