Inwerter do lamp CCFL i EEFL

Typowy inwerter do lamp CCFL i EEFL zamienia niskie napięcie stałe (zwykle 3… 12 V), rzadziej napięcie zmienne sieci 230V 50Hz, na napięcie zmienne o napięciu kilkudziesięciu do 2000V i częstotliwości kilkudziesięciu kiloherców. Do zapłonu lamp potrzebne jest napięcie od kilkuset do ponad tysiąca woltów, natomiast podczas normalnej pracy napięcie z przetwornicy wynosi kilkadziesiąt woltów.

Ponieważ lampy wyładowcze, w tym także lampy CCFL, mają ujemną rezystancję, więc muszą być sterowane ze źródeł o ograniczonej wydajności prądowej. Mogą to być proste przetwornice o dużej rezystancji wewnętrznej, tak zaprojektowane, żeby napięcie bez obciążenia było odpowiednio wysokie i by pod obciążeniem spadało do potrzebnej wartości.

Przetwornice indukcyjne

Mogą to też być zdecydowanie bardziej skomplikowane układy z obwodami kontroli napięcia oraz prądu obciążenia. Większość inwerterów do lamp CCFL i EEFL to przetwornice indukcyjne, gdzie kluczowym elementem jest transformator podwyższający. W praktyce jeden transformator zasila jedną najwyżej dwie lampy CCFL.

Do zasilania większej liczby lamp CCFL stosowane są wielokanałowe inwertery, gdzie każda lampa (lub pary lamp) CCFL ma oddzielny obwód sterowania.

Fotografia 1 przedstawia wielokanałowy inwerter CCFL z klasycznymi transformatorami.
Natomiast kilka jednakowych lamp EEFL, połączonych równolegle może być bez problemu zasilanych z pojedynczego wyjścia jednego inwertera. Dlatego nie spotyka się wielokanałowych inwerterów EEFL, a tylko pojedyncze – przykład na fotografii 2.

Oprócz inwerterów – przetwornic indukcyjnych, wykorzystywane są też inwertery z transformatorem piezoelektrycznym. Nie mają one klasycznego transformatora podwyższającego, tylko właśnie…

Transformator piezoelektryczny

Podstawą działania transformatora piezoelektrycznego jest proste oraz odwrotne zjawisko piezoelektryczne, oba odkryte pod koniec XIX wieku. Najpierw odkryto, że niektóre materiały pod wpływem nacisku i odkształcenia wytwarzają napięcie elektryczne.

Potem odkryto zjawisko odwrotne, że pod wpływem napięcia elektrycznego niektóre materiały ulegają odkształceniu. Dziś znanych jest wiele materiałów piezoelektrycznych, ale w większości z nich skala opisanych zjawisk jest zbyt mała, by mogła być wykorzystana w praktyce. Niemniej już w latach 30. XX wieku odkryto materiały, które znalazły liczne praktyczne zastosowania; m.in w połowie lat 50. Charles A. Rosen zgłosił patent na transformator piezoelektryczny – piezoelectric transformer, w skrócie PT.

Zjawisko piezoelektryczne odwrotne

Czasem spotyka się też skrót PZT, ale może on wprowadzać w błąd, ponieważ ten skrót znacznie częściej określa rodzaj ceramiki piezoelektrycznej. Zasada działania transformatora piezoelektrycznego jest bardzo prosta: zmienny przebieg elektryczny, doprowadzony do materiału piezoelektrycznego, powoduje jego drgania – wibracje. Wykorzystane jest tu tzw. odwrotne zjawisko piezoelektryczne, czyli zamiana energii elektrycznej na mechaniczną.

Te mechaniczne drgania przenoszą się na (niezasilaną) resztę materiału piezoelektrycznego. I w tym drgającym materiale zachodzi proste zjawisko piezoelektryczne, czyli zamiana energii mechanicznej na elektryczną. W zależności od parametrów, w tym geometrycznych, można uzyskać napięcie wyjściowe większe lub mniejsze od wejściowego, czyli element zachowuje się jak transformator.

Budowa transformatora pizoelektrycznego

Budowę transformatora piezoelektrycznego według koncepcji Rosena pokazuje fotografia 4. Wejściowe napięcie elektryczne podawane jest na część sztabki, gdzie występuje tak zwane poprzeczne zjawisko piezoelektryczne. Poprzeczne, bo napięcie elektryczne dołączone jest tu „pionowo”, a wytwarzane są drgania mechaniczne w osi poprzecznej – poziomej.

Te drgania obejmują też pozostałą część sztabki, zbudowaną z materiału, gdzie występuje podłużny efekt piezoelektryczny, gdzie wytwarzane napięcie (kierunek polaryzacji) jest zgodne z kierunkiem drgań (naprężeń). Przy takiej budowie napięcie wyjściowe jest dużo większe od wejściowego. W największym uproszczeniu można byłoby uznać, że tyle razy większe, ile razy większa jest długość sztabki od jej wysokości.

Zaproponowano też różne inne koncepcje budowy transformatorów piezo. Trwają na przykład próby budowy tanich i skutecznych obniżających transformatorów piezo, do sterowania diod LED. Jednak do dziś najczęściej wykorzystywana jest koncepcja Rosena, która znajduje zastosowanie m.in. w inwerterach do lamp CCFL i EEFL.

Fotografia 3 pokazuje 18-kanałowy inwerter CCFL z transformatorami piezoelektrycznymi.

Transformator rezonansowy

Transformator piezo zawsze jest transformatorem rezonansowym i prawidłowo pracuje tylko w wąskim zakresie częstotliwości, zależnym od rozmiarów płytki. Jako układ rezonansowy na wyjściu daje zawsze napięcie sinusoidalne; zasadniczo powinien też pracować przy wejściowym sygnale sinusoidalnym.

W inwerterach do omawianych lamp pracują transformatory piezo o częstotliwościach od kilkudziesięciu do stukilkudziesieciu kiloherców, a ich przekładnia wynosi od kilkudziesięciu do nawet kilkuset. Istotną zaletą jest brak pola magnetycznego, przez co transformatory piezoelektryczne generują zdecydowanie mniejsze zakłócenia niż klasyczne.
Opracowano na podstawie artykułu z miesięcznika EdW.

Porównywarka cen sprzętu RTV