Особливості проектування блоку живлення для світлодіодних ламп

  1. Фільтр ЕМП
  2. випрямляч
  3. ККМ
  4. Джерело струму
  5. література
  6. Інші статті на цю тему:

2011

Електричної лампочки як освітлювального приладу вже трохи більше 100 років. За цей час її конструкція і принцип дії багаторазово змінювалися, і лише призначення залишалося незмінним. В середині XX століття лампу розжарювання потіснила люмінесцентна лампа, що володіє більшою ефективністю і довговічністю. А на початку XXI ст. з'явилася так звана світлодіодна лампа. Необхідно відзначити, що під цією назвою в дійсності ховається досить складна система, що складається з декількох елементів, серед яких основними є: блок живлення, світлодіодна матриця, система охолодження і оптична система. У статті порушуються питання, пов'язані з проектуванням блоку живлення для світлодіодних ламп.

Типова схема блоку живлення світлодіодної лампи показана на рис. 1.

1

Мережеве змінну напругу проходить через фільтр електромагнітних завад (ЕМП) на випрямляч. Потім випрямлена напруга проходить через щабель корекції коефіцієнта потужності (ККП) і живить, власне, імпульсний стабілізатор струму, до виходу якого підключені світлодіоди.

Фільтр ЕМП

Вхідний помехоподавляющий фільтр має властивість двонаправленого помехо-придушення, тобто запобігає проникненню високочастотних імпульсних перешкод як з мережі в блок живлення, так і навпаки - з блоку живлення в мережу. Перешкоди в мережі з'являються, наприклад, при підключенні до неї потужних навантажень. Перешкоди в блоці живлення обумовлені, перш за все, імпульсним режимом роботи транзистора, резонансом в силових ланцюгах блоку в моменти комутації і роботою випрямляча. Електромагнітні перешкоди, созда ваемие імпульсним блоком живлення, підрозділяються на два типи: симетрична (перешкода вимірюється між двома полюсами шин харчування) і синфазна (напруга між кожним проводом харчування і землею).

Для придушення симетричною перешкоди застосовується фільтр зі здвоєним дроселем і двома конденсаторами, шунтирующими шини харчування (рис. 2). Конденсатор С1 являє собою дуже великий опір для живильного струму мережевої частоти (50 Гц), і тому цей струм через конденсатор С1 не відгалужується. Для імпульсного високочастотного струму перешкоди цей конденсатор, навпаки, має дуже малий опір, і тому більша частина струму перешкоди замикається через нього. Однак, як показує практика, цього не завжди достатньо. Тому далі включається двохобмотувальні дросель Т1 (нейтралізує трансформатор), обмотки якого мають однакове число витків і намотані на одному сердечнику згідно. З цього випливає, що корисний струм мережевої частоти, що протікає по обмотках I і II в протилежних напрямках, буде створювати в осерді Т1 два рівних зустрічно-спрямованих магнітних потоку, взаємно компенсують один одного. Тому незалежно від величини споживаного від мережі струму сердечник Т1 НЕ буде намагнічуватися, а значить, індуктивність обох обмоток буде максимальна. Основне призначення конденсатора С4 - фільтрація перешкод, створюваних доданими мостом. Справа в тому, що процес відновлення зворотного опору діодів при перемиканні не є миттєвим, і при зміні полярності прикладеної напруги через діоди протікають імпульсні зворотні струми, обумовлені розсмоктуванням надлишкових носіїв. Ці імпульсні струми і є перешкодами, що генеруються мережевим випрямлячем. Конденсатор С4, включений в діагональ діодного моста, замикає через себе струми цих імпульсних перешкод, перешкоджаючи їх проникненню в мережу живлення і навантаження блоку живлення. Також, якщо є провід заземлення, то конденсатори C2 і C3 дозволяють придушити синфазну перешкоду.

Також, якщо є провід заземлення, то конденсатори C2 і C3 дозволяють придушити синфазну перешкоду

випрямляч

Випрямляч виконується за схемою діодного моста. Якщо замість звичайних встановити в міст так звані «швидкі діоди», то рівень перешкод, створюваних випрямлячем, значно зменшиться. Також при розробці лампи слід врахувати, що діоди випрямляча відчувають значне навантаження імпульсним струмом заряду конденсатора С5 при включенні. Наприклад, діодний міст DB107 (номінальний струм 1 А) витримує імпульс струму з амплітудою, в 50 разів перевищує номінальний струм в одному циклі або полуволне напруги. Залежність кількості можливих циклів від амплітуди імпульсу струму показана на рис. 3.

Тому в ланцюг заряду C5 необхідно включити термистор. Цей елемент має опір порядку декількох Ом під час заряду конденсатора і, отже, обмежує імпульсний струм через діодний міст. З іншого боку, через одну-дві секунди проходить через термістор ток розігріває його і призводить до зниження опору. Таким чином, в штатному режимі опір термістора прагне до нуля. Графік струму в ланцюзі «діодний міст - конденсатор» з термістором (пунктир) і без термистора (суцільна лінія) показаний на рис. 4

Розрахунок опору термістора проводиться таким чином. По-перше, за законом Ома вибирається мінімальний опір при температурі 25 ° С.

де Vin - вхідна змінна напруга, Imax - максимальний допустимий струм діодного моста в одному циклі.

Потім визначається максимальна енергія, яку має поглинути термистор в момент включення:

Потім визначається максимальна енергія, яку має поглинути термистор в момент включення:

де С - ємність вхідного конденсатора, U - випрямлена напруга (1,414 × Vin).

Ще одним важливим параметром, який варто брати до уваги (особливо для світлодіодних ламп, де робоча температура дуже висока), є термін життя електролітичного конденсатора. Як правило, конденсатори забезпечуються інформацією про максимальній робочій температурі. Термін життя або, іншими словами, термін, за який ємність конденсатора знизиться в два рази, при цій температурі коливається від 2 до 7 тис. Ч. У порівнянні зі світлодіодами, які мають термін життя 50-100 тис. Ч, це дуже мало. Однак виробники конденсаторів стверджують, що зі зниженням температури на кожні 10 градусів щодо максимальної термін життя збільшується в два рази. Тому вхідні ємність необхідно вибирати з урахуванням навколишньої температури конденсаторів.

ККМ

Незважаючи на те, що випрямляч є чи не найбільш простим елементом схеми блоку живлення, фізичні процеси, що відбуваються в його нелінійних елементах (діодах), створюють ефект реактивної потужності, яку споживає лампа. Коефіцієнтом потужності називається відношення активної (корисної) потужності до сумарної (активна + реактивна). У резистивної навантаження КМ = 1, т. Е. Реактивна складова дорівнює 0. Активна потужність повністю споживається навантаженням і виконує корисну роботу. Реактивна ж спершу запасається, а потім знову повертається в мережу. У цій ситуації в мережі течуть великі струми, ніж потрібно було б для даного навантаження. Таким чином, головне завдання ступені ККМ - скоротити величину реактивної складової потужності до мінімуму. Розберемося тепер в передумовах її появи в джерелі живлення.

На рис. 5 показані графіки струму і напруги, які споживає від мережі звичайний навантажений випрямляч з конденсатором значною ємності.

5 показані графіки струму і напруги, які споживає від мережі звичайний навантажений випрямляч з конденсатором значною ємності

У такій схемі струм споживається короткими імпульсами в моменти, коли миттєве значення напруги в мережі живлення максимально. У проміжках навантаження живиться напругою, запасеним в конденсаторі, і напруга на ньому поступово падає. Так відбувається до тих пір, поки миттєве значення напруги не перевищить знову напруга, що залишився на конденсаторі. У цей момент відкриваються діоди випрямного моста, і відбувається короткий кидок струму підзарядки. Такий режим роботи породжує небажану реактивну потужність, яка, не виконуючи корисної роботи, розігріває живлять мережі. Однак причини її появи на перший погляд неочевидні. Спробуємо в них розібратися.

Розглянемо передачу енергії від джерела до навантаження через деяку поверхню S. Форма напруги задається джерелом, форма струму - реакцією навантаження. Струм і напруга можуть бути представлені рядами Фур'є. Миттєва потужність, яка є, очевидно, твором рядів струму і напруги, може приймати як позитивні, так і негативні значення. Тобто енергія може текти через поверхню в обох напрямках.

У разі, коли струм і напруга не мають спільних гармонік, потужності, що передаються в обох напрямках через поверхню S, рівні. Іншими словами, навантаження споживає стільки ж, скільки і віддає, потужність є чисто реактивної і корисна робота в навантаженні не здійснюється. Якщо ж гармоніки струму і напруги повністю збігаються за частотою, то вся енергія джерела передається в навантаження і виконує корисну роботу. При розкладанні в ряд Фур'є імпульсного струму видно, що крім гармоніки частотою 50 Гц, на якій, власне, і передається корисна енергія, в спектрі струму присутні гармоніки 100, 150 Гц і так далі, практично до безкінечності. Для підвищення КМ їх слід придушити.

Для імпульсних стабілізаторів без ККМ значення коефіцієнта потужності, як правило, коливається біля значення 0,6. Найпростішим ККМ є так звана схема Valley Filler, яка фактично просто розширює імпульси струму, наближаючи, таким чином, їх форму до синусоїдальної, і, отже, скорочує кількість гармонік струму і збільшує КМ. Схема такого пристрою зображена на рис. 6. Як правило, до цієї схеми вдається досягти значень КМ 0,7-0,75.

У перший момент часу конденсатори заряджаються до піку напруги - 310 В. Однак завдяки диоду D6 струм розряду через них не потече, поки миттєве значення напруги не впаде до 155 В. Весь цей час навантаження живиться мережевим напругою, за рахунок чого і вдається розширити імпульси струму. Після цього відкриваються діоди D5 і D7, дозволяючи включеним паралельно конденсаторів розряджатися через навантаження. Далі цикл знову повторюється. Іноді вводиться резистор R1 невеликого опору, щоб ще більше розтягнути час заряду конденсаторів і збільшити значення КМ. Форма напруги та струму в схемі з таким ККМ показана на рис. 7. Проте слід пам'ятати, що в даній схемі пульсації напруги досягають амплітуди 150 В!

Ще одним різновидом ККМ є активний ККП. Він являє собою підвищує імпульсний перетворювач, причому шпаруватість імпульсів на його виході залежить від миттєвого значення напруги живлення. На його вхід подається пульсуюча напруга безпосередньо з діодного моста (без вхідного конденсатора). Пульсації в вихідній напрузі відсутні - на відміну від попередньої схеми. Застосування такого ККМ потрібно, якщо потужність лампи перевищує 25 Вт. Форма струму на його вході зазвичай близька до синусоїдальної, а КМ прагне до 1.

Джерело струму

Яскравість світлодіода сильно залежить від струму, через нього протікає. Струм ж, в свою чергу, визначається багатьма параметрами, найважливішими з яких є напругу живлення і температура pn-переходу світлодіода. Тому перша і основна функція блоку живлення світлодіодної лампи - забезпечувати стабільний струм, незалежно від зміни зовнішніх параметрів. При конструюванні лампи зазвичай вибирають метод імпульсної стабілізації, так як він забезпечує достатню точність і високу ефективність (близько 90%).

Розглянемо схему стабілізатора струму на прикладі мікросхеми HV9910 (або HV9961), зображену на рис. 8. У принципі, все наступне ставиться до великої кількості подібних мікросхем. HV9910 обрана через наочності, граничної простоти і доступності.

HV9910 обрана через наочності, граничної простоти і доступності

HV9910 - це драйвер світлодіодів з широтно-імпульсною модуляцією. У перший момент часу відкривається силовий транзистор, і струм в ланцюзі світлодіодів лінійно наростає. Як тільки напруга, викликане протіканням цього струму через резистор-датчик струму в ланцюзі витоку транзистора, досягне порогового значення, мікросхема закриє транзистор, і струм в світло-діодах почне лінійно зменшуватися. Діаграма роботи драйвера показана на рис. 9.

9

Існує два методи управління: з постійною частотою Fи з постійним Toff, тобто, з постійним часом, протягом якого транзистор закритий. Розглянемо їх особливості. Режим з постійною частотою обмежує вихідну напругу до величини, що становить 50% від напруги. Режим з постійним Tff дозволяє отримувати вихідні напруги до 80% від напруги, проте в даному випадку пульсації вихідного струму зростають пропорційно вихідній напрузі. Отже, керованість по току падає. Таким чином, існують межі максимального струму для обох режимів, які розраховуються згідно з такими формулами:

  • режим з постійним Toff

    режим з постійним Toff

    максимальна частота перемикання - {1-V0max / Vinmin} / Toff;

  • режим з постійною f

    режим з постійною f

де ΔI - ток пульсації, а ILED - максимальний струм світлодіодів, який, як видно, обмежується струмом пульсацій. Однак слід мати на увазі, що ефективність драйвера тим більше, чим більше його вихідна потужність. Тому слід знаходити баланс між зазначеними значеннями вихідного струму і напруги.

Методи розрахунку номіналів основних елементів цієї схеми докладно описані в документації на сайті виробника, тому не будемо зупинятися на них докладно. Незважаючи на те, що дана схема має багато переваг, серед яких стабільність, доступність і простота, проте необхідно вказати на деякі нюанси проектування ламп на основі HV9910 або будь-якого іншого подібного драйвера.

По-перше, слід звернути увагу на максимальну рассеиваемую корпусом мікросхеми потужність. Корпус SO8 розсіює 650 мВт, SO16 - 1000 мВт. Практично половина потужності витрачається на управління затвором польового транзистора. Причому визначається ця потужність годує напругою, частотою комутації і зарядом затвора польового транзистора відповідно до формули:

де Vin - вхідна напруга, Qg - заряд затвора, Fs - частота комутації, 1 мА - струм, споживаний логікою мікросхеми. Таким чином, для частот до 100 кГц верхньою межею заряду затвора є значення 25 нКл, для частот більше 100 кГц - 15 нКл. У деяких випадках можна знизити споживану мікросхемою потужність, поставивши в ланцюг її харчування стабілітрон з напругою стабілізації 100 В. Потужність стабилитрона розраховується за формулою:

де Vcm - напруга стабілізації. Цей стабілітрон необхідний в разі, коли мікросхема HV9910 включається за ступенем активної корекції коефіцієнта потужності з вихідною напругою 400-420 В. При цьому слід врахувати, що на конденсаторі в ланцюзі харчування буде залишатися висока напруга, оскільки мікросхема припиняє роботу, коли напруга впаде нижче напруги пробою стабілітрона. Тому необхідно шунтировать конденсатор опором порядку 1 МОм.

По-друге, крім обмежень вхідної напруги, викликаних максимально можливої ​​розсіюється потужністю, існує також мінімально можливе вихідна напруга, при якому все ще здійснюється адекватна регулювання струму. Його залежність від вхідної напруги і цього значення Toff визначається формулою:

Його залежність від вхідної напруги і цього значення Toff визначається формулою:

де Dmin = 1 мкс / (1 мкс × Toff). Недотримання цієї умови призведе до неконтрольованого підвищення струму через світлодіоди і виходу їх з ладу.

По-третє, показана на рис. 8 схема генерує електромагнітні перешкоди в радіомовному і телевізійному діапазонах. Щоб значно знизити рівень ВЧ-перешкод, необхідно встановити шунтуючі конденсатори невеликої ємності. Ємність вибирається в межах 1-10 нФ. Схема включення стабілітрона в ланцюг живлення мікросхеми і розташування блокувальних конденсаторів показана на рис. 10.

Також, у разі використання ККМ, з'являється можливість застосувати модуляцію робочої частоти імпульсного перетворювача, використовуючи пульсації напруги живлення, згідно зі схемою на рис. 11. Таким чином можна розподілити потужність перешкод, створюваних перетворювачем по всьому спектру радіочастот. Модулююча напруга знімається безпосередньо з діодного моста.

Оскільки частотозадающіх резистор підключений до дільнику, на який подається пульсуюча напруга амплітудою 310 В, в цій схемі період комутації розраховується з використанням миттєвого значення напруги живлення за формулою:

Інженерам, який проектує блоки живлення, слід нагадати, що ефективність даної схеми тим більше, чим менше час відновлення діода, опору відкритого каналу транзистора, а також опору постійному струму у індуктивності.

Зрозуміло, в статті були описані далеко не всі нюанси проектування блоків живлення для світлодіодних ламп. Однак сподіваємося, що наведений оглядовий матеріал допоможе знайти відповідь хоча б на деякі загальні питання.

література

  1. http://www.supertex.com
  2. http://www.diotec.com
  3. http://www.epcos.com
  4. http://www.coilws.com/Publications/ImprVF.pdf

Інші статті на цю тему:

повідомити про помилку

© 2008 — 2012 offroad.net.ua . All rights reserved. by nucleart.net 2008