Beztransformátorový obvod ovládača LED pre spoľahlivé a lacné návrhy žiaroviek

O LED žiarovkách sa hovorí, že sú o 80% účinnejšie ako iné bežné možnosti osvetlenia, ako sú žiarivky a žiarovky. Rýchle prispôsobenie LED žiaroviek je už viditeľné okolo nás a globálna trhová hodnota LED žiaroviek dosiahla v roku 2018 hodnotu okolo 5,4 miliárd dolárov. Výzvou pri navrhovaní týchto LED žiaroviek je to, že LED svetlo, ako vieme, funguje na jednosmerné napätie a sieť napájanie je striedavé, preto musíme navrhnúť obvod ovládača LED, ktorý dokáže prevádzať sieťové napätie AC na vhodnú úroveň jednosmerného napätia požadovanú pre žiarovku LED. V tomto článku navrhneme taký praktický nízkonákladový obvod vodiča LED využívajúci prepínací integrovaný obvod LNK302 na napájanie štyroch LED diód (v sérii), ktoré môžu poskytnúť 200 lúmenov pracujúcich pri 13,6 V a spotrebujúcich okolo 100 - 150 mA.

Varovanie: Než sa posunieme ďalej, je veľmi dôležité uistiť sa, že v okolí elektrickej siete pracujete s mimoriadnou opatrnosťou. Tu uvedený obvod a podrobnosti boli testované a spracované odborníkmi. Akékoľvek nehody môžu viesť k vážnym škodám a môžu byť tiež smrteľné. Pracujte na svoje vlastné riziko. Bol si varovaný.

Obvod napájacieho zdroja bez transformátora

Veľmi hrubý obvod ovládača LED je možné vytvoriť pomocou metódy Capacitor Dropper, rovnako ako v našom predchádzajúcom projekte napájania bez transformátorov. Aj keď sa tieto obvody stále používajú v niektorých veľmi lacných elektronických výrobkoch, majú veľa nevýhod, o ktorých si ešte povieme neskôr. Preto v tomto tutoriále nebudeme používať metódu Capacitor Dropper, ale namiesto toho vybudovať spoľahlivý vodičový obvod LED pomocou prepínacieho IC.

Nevýhoda napájacieho obvodu bez kondenzácie bez kondenzácie

Tento typ napájacieho obvodu bez transformátora je lacnejší ako štandardný spínaný napájací zdroj kvôli nízkemu počtu komponentov a absencii magnetických prvkov (transformátor). Používa obvod kondenzátora s kvapkadlom, ktorý využíva reaktanciu kondenzátora na zníženie vstupného napätia.

Aj keď sa tento typ transformátorov osvedčuje ako veľmi užitočný v určitých prípadoch, keď musia byť nižšie výrobné náklady konkrétneho produktu, prevedenie neposkytuje galvanickú izoláciu od elektrickej siete, a preto by sa malo používať iba vo výrobkoch, ktoré neprichádzajú do priameho kontaktu. s ľuďmi. Môže sa napríklad použiť vo vysoko výkonných led svetlách, kde je kryt vyrobený z tvrdého plastu a po nainštalovaní nie je exponovaný žiadny diel obvodu pre interakciu používateľa. Problém s týmito typmi obvodov je, že ak dôjde k poruche napájacieho zdroja, môže to odrážať vysoké vstupné striedavé napätie na výstupe, ktoré sa môže stať pascou smrti.

Ďalšou nevýhodou je, že tieto obvody sú obmedzené na nízkonapäťový prúd. Je to preto, že výstupný prúd závisí od hodnoty použitého kondenzátora, pre vyššie prúdové zaťaženie sa musí použiť veľmi veľký kondenzátor. To je problém, pretože objemné kondenzátory tiež zväčšujú priestor na doske a zvyšujú výrobné náklady. Obvod tiež nemá žiadny ochranný obvod, napríklad ochranu proti skratu na výstupe, nadprúdovú ochranu, tepelnú ochranu atď. Ak je potrebné ich pridať, zvyšuje sa tiež cena a zložitosť. Aj keď sú všetky urobené dobre, nie sú spoľahlivé.

Otázkou teda je, existuje nejaké riešenie, ktoré môže byť lacnejšie, efektívnejšie, jednoduchšie a menších rozmerov spolu so všetkými ochrannými obvodmi na výrobu neizolovaného vysoko výkonného obvodu vodiča LED na striedavý prúd s jednosmerným prúdom? Odpoveď je áno a to je presne to, čo si v tomto návode postavíme.

Výber správnej LED pre žiarovku LED

Prvým krokom pri návrhu obvodu budiča LED žiarovky je rozhodnutie o zaťažení, tj. LED, ktorú použijeme v našich žiarovkách. Nižšie sú uvedené tie, ktoré používame v tomto projekte.

LED diódy vo vyššie uvedenom páse obsahujú 5730 kusov 0,5 W chladných bielych LED diód so svetelným tokom 57 lm. Napätie v priepustnom smere je 3,2 V minimálne na 3.6V maximum s dopredným prúdom 120 až 150 mA. Preto na výrobu 200 lúmenov svetla možno použiť 4 LED diódy v sérii. Požadované napätie tohto prúžku bude 3,4 x 4 = 13,6 V a každou žiarovkou bude pretekať prúd 100 - 120 mA.

Tu je schéma LED v sérii -

LNK304 - LED ovládač IC

Pre túto aplikáciu je vybraný integrovaný obvod vodiča LNK304. Môže úspešne zabezpečiť požadovanú záťaž pre túto aplikáciu spolu s automatickým reštartom, skratom a tepelnou ochranou. Vlastnosti je možné vidieť na nasledujúcom obrázku -

Výber ďalších komponentov

Výber ďalších komponentov závisí od zvoleného integrovaného obvodu vodiča. V našom prípade údajový list, referenčný dizajn používa polovodičový usmerňovač využívajúci dve štandardné diódy na obnovenie. Ale v tejto aplikácii sme na usmernenie celej vlny použili diódový mostík. Môže to zvýšiť výrobné náklady, ale nakoniec záleží na správnom dodaní energie pri zaťažení aj kompromisy návrhu. Schematický diagram bez hodnôt je možné vidieť na obrázku nižšie, poďme si teraz rozobrať spôsob výberu hodnôt

Takže pre túto aplikáciu je vybraný Diode Bridge BR1 DB107. Pre túto aplikáciu je však možné zvoliť aj 500mA diódový mostík. Za diódovým mostíkom sa používa filter pí, kde sú potrebné dva elektrolytické kondenzátory spolu s tlmivkou. To napraví DC a tiež zníži EMI. Hodnoty kondenzátorov vybrané pre túto aplikáciu sú 10uF 400V elektrolytické kondenzátory. Hodnoty musia byť vyššie ako 2,2uF 400V. Pre účely optimalizácie nákladov môže byť najlepšou voľbou 4,7uF až 6,8uF.

Pre induktor sa odporúča viac ako 560uH s prúdom 1,5A. Preto sú C1 a C2 vybrané ako 10uF 400V a L1 ako 680uH a 1,5A diódový mostík DB107 pre DB1.

Usmernený DC sa privádza do budiča IC LNK304. Obtokový kolík musí byť pripojený k zdroju pomocou kondenzátora 0,1 V 50 V. Preto je C3 keramický kondenzátor 0,1 uF 50V. Je potrebné, aby D1 bola ultrarýchla dióda s reverznou dobou zotavenia 75 ns. Je vybratý ako UF4007.

FB je pin spätnej väzby a rezistor R1 a R2 sa používa na určenie výstupného napätia. Referenčné napätie na kolíku FB je 1,635 V, IC prepína výstupné napätie, kým nezíska toto referenčné napätie na svojom spätnoväzbovom kolíku. Preto je možné zvoliť hodnotu odporov pomocou jednoduchého kalkulátora deliča napätia. Pre získanie 13,6 V ako výstupu sa hodnota odporu vyberie na základe nižšie uvedeného vzorca

Vout = (zdrojové napätie x R2) / (R1 + R2)

V našom prípade je Vout 1,635V, zdrojové napätie je 13,6V. Hodnotu R2 sme vybrali ako 2,05k. Takže R1 je 15k. Prípadne môžete pomocou tohto vzorca vypočítať aj zdrojové napätie. Kondenzátor C4 je vybraný ako 10uF 50V. D2 je štandardná usmerňovacia dióda 1N4007. L2 je rovnaká ako L1, ale prúd môže byť menší. L2 je tiež 680uH s hodnotením 1,5A.

Kondenzátor výstupného filtra C5 je zvolený ako 100uF 25V. R3 je minimálne zaťaženie, ktoré sa používa na regulačné účely. Pre reguláciu nulového zaťaženia je hodnota zvolená ako 2,4k. Aktualizovaná schéma spolu so všetkými hodnotami je uvedená nižšie.

Pracovanie obvodu transformátora bez vodiča LED

Celý obvod pracuje v topológii prepínania induktorov MDCM (Mostly Discontinuous Conduction Mode). Konverziu AC na DC zaisťuje diódový mostík a pí filter. Po získaní usmerneného jednosmerného prúdu je fáza spracovania energie vykonaná LNK304 a D1, L2 a C5. Pokles napätia na D1 a D2 je takmer rovnaký, kondenzátor C3 kontroluje výstupné napätie a v závislosti od napätia na kondenzátore C3 je snímaný LNK304 pomocou deliča napätia a regulácie spínacieho výstupu cez kolíky zdroja.

Budovanie obvodu vodiča LED

Všetky komponenty potrebné na konštrukciu obvodu, okrem tlmiviek. Preto musíme navíjať náš induktor pomocou smaltovaného medeného drôtu. Teraz existuje matematický prístup k výpočtu typu jadra, hrúbky drôtu, počtu závitov atď. Ale kvôli zjednodušeniu urobíme iba niekoľko závitov pomocou dostupnej cievky a medeného drôtu a pomocou merača LCR skontrolujeme, či sme dosiahli požadovanú hodnotu. Pretože náš projekt nie je príliš citlivý na hodnotu induktora a prúdové hodnotenie je nízke, bude tento hrubý spôsob fungovať dobre. Ak nemáte merač LCR, môžete na meranie hodnoty induktora pomocou metódy rezonančnej frekvencie použiť aj osciloskop.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje, že induktory sú skontrolované a hodnota je vyššia ako 800uH. Používa sa pre L1 a L2. Pre LED je tiež vyrobená jednoduchá doska z medi. Obvod je skonštruovaný v doskovom poli.

Testovanie obvodu ovládača LED

Obvod je najskôr testovaný pomocou VARIAC (variabilný transformátor) a potom skontrolované univerzálnym vstupným napätím, ktoré je 110V / 220V striedavé napätie. Multimetr vľavo je pripojený cez AC vstup a ďalší multimetr vpravo je pripojený cez jednu LED, aby skontroloval výstupné jednosmerné napätie.

Čítanie sa vykonáva pri troch rôznych vstupných napätiach. Prvý na ľavej strane, ktorý zobrazuje vstupné napätie 85 V str., A cez jednu led diódu ukazuje 3,51 V, zatiaľ čo sa led napätie cez rôzne vstupné napätie mierne mení. Podrobné pracovné video nájdete nižšie.